Теория и практика проектирования фундаментов зданий и сооружений

Расчет напряженно-деформированного


Прогноз поведения зданий и сооружений на морозоопасных грунтах при статическом и динамическом воздействиях традиционными методами механики грунтов приводит к значительным трудностям математического характера. Экспериментальные работы не только сложны, но и дают ограниченную информацию. Эти трудности могут быть преодолены с использованием метода численного моделирования работы системы “основание – фундамент”. Решение задачи прогноза деформирования зданий и сооружений на пучиноопасных грунтах относятся к классу нелинейных задач механики грунтов в связи с значительными объемными и сдвиговыми деформациями грунтов, нередко с разрывами сплошности в виде образующихся морозобойных трещин. Значительные преимущества можно получить при проектировании оснований и фундаментов методом конечных элементов (МКЭ) в упругопластической постановке, позволяющим более полно использовать несущую способность грунтов основания [40]. МКЭ предоставляет возможность учитывать в расчетах разнообразные и сложные свойства рассматриваемых грунтовых сред [41]. В результате (морозное воздействие и последующее оттаивание системы “основание – фундамент”, поэтапное нагружение, моделирующее возведение сооружения и т. д.) в зависимости от накопленной пластической деформации грунтов в расчетах принимается упругопластическая модель грунтовой среды с критерием прочности Кулона, подчиняющаяся законам пластического течения. Массив грунта разбивается на мерзлую, промерзающую и талую области [45]. Деформации и напряжения в системе “основание – фундамент” в каждый момент времени рассматриваются как установившиеся при равнообъемном пучении.

Лабораторные исследования нормальных сил пучения впервые были проведены [8], который установил, что нормальные напряжения под фундаментом могут достигать 0,5–0,8 МПа, являясь при этом функцией влажности, скорости промерзания грунта, величины внешней нагрузки и сжимаемости талого подстилающего основания, и достигают максимальной величины 1–1,2 МПа в условиях отсутствия бокового расширения промерзания промерзающего грунта.


При одинаковой мощности слоя грунта, промерзшего под фундаментами, и приблизительно одинаковой температуре величина нормальных сил пучения понижается по мере уменьшения скорости перемещения грунта. Это значит, что с понижением скорости пучения грунта скорость деформации мерзлого пласта под фундаментом будет повышаться. Отсюда следует, что с уменьшением интенсивности пучения, а также с увеличением продолжительности периода действия сил пучения на подошву фундамента величина их при равных прочих равных условиях будет понижаться [46]. Анализ напряженно-деформированного состояния промерзающего грунта показывает, что при том незначительном силовом эффекте, который вызывается нарушением динамического равновесия грунта при переходе его из жидкой фазы в твердую, величина нормальных сил пучения обусловливается прочностью структурных связей (сцеплением) мерзлого грунта на площади промерзающего массива, значительно превышающей площадь подошвы фундамента. Это значит, что основная роль в динамике нормальных сил пучения принадлежит напряженному состоянию грунта, находящегося на грани подошвы фундамента. Интенсивное льдовыделение в слое мерзлого грунта приводит к нарушению его прочностных свойств под подошвой фундамента, определяет величину нормальных сил пучения.

Развивающееся при замерзании воды давление при сочетании определенных условий промерзания способно вызвать горизонтальное смещение мерзлого грунта значительной мощности, причем величина этого смещения будет увеличиваться по мере приближения к поверхности грунта.

Согласно экспериментальным данным при промерзании грунта до глубины 1,8–2,0 м величина гидродинамического давления при переходе из талого состояния в мерзлое для условий г. Хабаровска (для пылеватых суглинков, имеющих влажность 24–28%) достигает величины 50–75 кПа [44], изменяющегося по глубине по экспоненте. Прочностные и деформационные показатели мерзлого и оттаявшего слоя грунта зависят от температуры промерзания и оттаивания, а при оттаивании и от солнечной экспозиции [43].

Решение задачи прогноза осадок зданий и сооружений, процесса промерзания и оттаивания грунтов основания относится к классу нелинейных задач механики грунтов, реализация которых возможна численными методами с помощью ЭВМ. Решения плоской задачи теории упругости методом конечных элементов (МКЭ) достаточно подробно изложено в литературе [40, 41]. Ниже приводится описание решения МКЭ упругопластической (УП) задачи о напряженно-деформированном состоянии (НДС) системы “основание – фундамент” с учетом свойств грунтов в условиях плоской деформации, реализованной авторами в программе “Геомеханика CREEP” с использованием процедуры начальных напряжений. Результаты решения по программе (перемещения фундаментов, подземных конструкций и всех точек талой, промерзающей и мерзлой зон, а также компонентов всех напряжений) представляются в графическом и табличном видах, что весьма удобно для исследования и принятия конструктивных решений [40].


Содержание раздела