Full Text

Введение Как известно, применение грунтовых подушек при устройстве фундаментов мелкого заложения в ряде случаев является экономически выгодным решением [1-4]. В основном грунтовые подушки выполняют из инертных материалов: песок, песчано-гравийная смесь (ПГС), щебень и др. Однако известны примеры, когда в качестве заполнителя применяют безопасные отходы производств, строительный мусор или связные грунты [5]. Использование связных грунтов в фундаментных подушках целесообразно при строительстве в отдаленных районах, где доставка строительных материалов несет крайне большие транспортные расходы. К подобным примерам можно отнести объекты нефтегазового комплекса, которые достаточно часто находятся на расстоянии, превышающем 250 км от областных центров. В этом случае проектные организации, стараясь сократить издержки, предусматривают уплотненные подушки из местного грунта, который, как правило, представлен суглинками, глинами от мягкопластичной до полутвердой консистенций. Однако использование подобного материала накладывает определенные сложности как в самом строительстве, так и в дальнейшей эксплуатации сооружений. Существенно улучшить конструкции грунтовых (фундаментных) подушек позволяет внедрение армирующих геосинтетических материалов [1-4, 6]. В данном исследовании автором предлагается опробовать применение переменного шага армирования горизонтальных геосинтетических материалов в подушках из связных грунтов. Подробно суть метода переменного шага армирования представлена в источниках [1, 6]. При переменном шаге армирования расстояние между армирующими элементами определяется согласно формуле Δh = (n - 1) ·100 + 200, где n - номер армирующего слоя. Вне зависимости от расчетного положения последнего армирующего элемента [1] его необходимо размещать по подошве фундаментной подушки. Данный слой совместно с задачей армирования выполняет функцию разделения слоев [7]. Основная часть Для проверки эффективности переменного шага армирования в фундаментных подушках из связных грунтов были сформулированы тестовые задачи, которые заключались в серии численных экспериментов сильнодеформируемого грунта основания, улучшенного армированной подушкой из связного грунта [1, 8]. Нагрузка на фундаментную подушку передавалась через модель ленточного фундамента шириной 1 м. Численный эксперимент проведен в программном комплексе Plaxis 2D с использованием грунтовой модели Мора - Кулона. С целью оценки результатов полученных исследований с предыдущими работами [6, 8] грунтовые условиях были приняты на основании материалов с исследованием переменного шага армирования в песчаных подушек [1], данные представлены в табл. 1. Ленточный фундамент принят железобетонный и моделировался как грунт с моделью материала liner elastic Характеристики материала подушки приняты по результатам испытаний на объектах по контролю строительства земляных сооружений нефтяных месторождений на территории Пермского края. Таблица 1 Физико-механические параметры грунтов Table 1 Physical and mechanical parameters of soils ИГЭ Наименование грунта Мощность, м g, кН/м3 j, град с, кПа E, МПа n 1 Суглинок тугопластичный 0,8 19,9 21 29 13,5 0,35 2 Суглинок мягкопластичный 7,2 19,1 16 14 8,7 0,35 3 Суглинок тугопластичный 0,8 20,0 24 40 25 0,35 4 Аргиллит сильновыветрелый, трещиноватый 10,3 21,0 12,7 52 30 0,35 - Материал подушки - суглинок мягкопластичный - 19,1 10 37 10,5 0,35 В качестве критерия оценки эффективности различных типов армирования фундаментных подушек принято значение максимальной нагрузки, которую способна выдержать конструкция искусственного основания без разрушения [6]. Численный эксперимент выполнялся в условиях плоской деформации. Размеры подушки были приняты на основании предыдущих исследований [8] и составили, м: hn = 1,2 (высота подушки), bn = 2,5 (ширина подошвы подушки), l = 2,5 (ширина армирующего материала) [5]. Расчетная схема неармированной подушки из связного грунта для численного моделирования в программном комплексе Plaxis 2D приведена на рис. 1. Рис. 1. Расчетная схема подушки из связного грунта: hn - высота подушки; bn - ширина подошвы подушки Fig. 1. Calculation scheme of a pad of cohesive soil: hn is the pad height; bn - width of the sole of the pad В качестве армирующего материала в данном исследовании рассматривался тканый геотекстиль [1, 6, 9] - материал, наиболее часто применяющийся для армирования в условиях нашей страны. Кроме того, экспериментально доказано, что применение геотекстильных материалов в связных грунтах более эффективно в сравнении с георешетками, которые более хорошо себя зарекомендовали в песчаных и крупнообломочных грунтах. Характеристики тканого геотекстиля приведены в табл. 2. Таблица 2 Физико-механические параметры грунтов Table 2 Mechanical characteristics of woven geotextile Максимальное значение линейной жесткости, кН/м Пределы относительной деформации, % Кратковременная прочность на разрыв, кН/м 350 / 282 3-6 / 10-16 47,4 / 46,6 Примечание: в числителе указаны значения вдоль, в знаменателе - поперек материала. В рамках данного исследования было принято четыре типа армирования фундаментных подушек: с постоянным шагом, м: Δh = 0,2, Δh = 0,3, Δh = 0,4 [8], а также переменный шаг Δh = (n - 1)·100 + 200. Для моделирования контактной работы грунта с геосинтетическим материалом были введены интерфейсные элементы, коэффициент трения геосинтетика по грунту был принят на основании [7, 10] равным 0,5tgφ = 0,29, так как отсутствуют данные по испытанию на сдвиг. Результаты При выполнении первоначальных расчетов было установлено, что при расположении первого армирующего слоя на расстоянии 200 мм и менее от подошвы фундамента происходит снижение нагрузки на грунт основания. Предположительно данный эффект возникает из-за «проскальзывания» материала по грунту. Поэтому была скорректирована формула по определению переменного шага армирования, и она составила Δh = (n - 1)·100 + 300 с обязательным размещением последнего слоя по подошве фундаментной подушки. По результатам численного моделирования программный комплекс Plaxis позволяет получить схемы распределения напряжений и деформаций в моделируемом искусственном основании из грунтового массива с армированной подушки. На рис. 2 представлены результаты численного моделирования в виде схем распределения напряжений [6, 11-14], σz, кН/м2. а б в г Рис. 2. Распределение вертикальных напряжений основания с фундаментной подушкой, армированной тканым геотекстилем с различными шагами, мм: а - 200; б - 300; в - 400; г - переменный шаг (300/400/500) Fig. 2. The distribution of vertical stresses of the base, with a foundation pad reinforced with woven geotextile with different pitches, mm: a - 200; б - 300; в - 400; г - variable pitch (300/400/500) Анализ схем вертикальных напряжений, представленных на рис. 2, позволяет сделать следующие промежуточные выводы: наибольшая концентрация напряжений возникает на краевых (угловых) точках фундамента, на схемах рис. 4, а-в можно отметить, что разрушение основания (отклик программы soil body collapse) произошло до формирования уплотненного ядра разрушения, что свидетельствует о низкой «адгезии» геосинтетических материалов со связным грунтом фундаментной подушки. Однако при переменном шаге армирования (см. рис. 2, г) отчетливо видно формирование уплотненного ядра разрушения в теле фундаментной подушки [1, 6, 15], что свидетельствует о достижении основанием предельной критической нагрузки и максимальной «адгезии» между геосинтетическими материалами и связным грунтов. Для наиболее полного сравнения установленных параметров работы фундаментных подушек при различных типах армирования был введен параметр удельной несущей способности [16]. Удельная несущая способность отражает не только техническую эффективность армирования (величину нагрузки, которую способно воспринять искусственное основание без разрушения), но и экономическую составляющую в виде количества слоев армирования. Удельная несущая способность определяется как отношение максимальной нагрузки N (кН/м) к площади геосинтетических материалов. Полученные значения представлены в табл. 3. Таблица 3 Сводная таблица с показателями эффективности различных типов армирования фундаментных подушек Table 3 Summary table with performance indicators of various types of foundation pad reinforcement № п/п Тип армирования подушки Количество слоев / площадь слоев (Аарм), м2 Максимальная нагрузка N, кН/м Удельная несущая способность (N / Аарм) 1 Без армирования - 210 - 2 Шаг армирования 200 мм 5 / 12,5 250 20 3 Шаг армирования 300 мм 4 / 10 330 33 4 Шаг армирования 400 мм 3 / 7,5 300 40 5 Переменный шаг в 300/400/500 мм 3 / 7,5 340 45,3 Анализ результатов Полученные значения удельной несущей способности позволяют сделать вывод о том, что наиболее эффективной конструкцией армированных фундаментных подушек из связных грунтов является конструкция с переменным шагом армирования, так как максимальное значение в 45,3 было получено именно при переменном шаге армирования. Кроме того, было установлено, что при шаге армирования 200 мм и меньше за счет низкого коэффициента трения между геосинтетиком и связным грунтом наблюдается «проскальзывание материала» [17, 18], армирующие слои не успевают включиться в совместную работу как единый геомассив [19, 20]. Максимальная нагрузка (340 кН/м), которую способно выдержать грунтовое основание, получена при использовании переменного шага армирования, количество слоев составило три, наиболее близкое значение максимальной нагрузки (330 кН/м) получено при шаге армирования 300 мм. Таким образом, рациональное расположение меньшего количества армирующих слоев позволяет достигать наилучших результатов с точки зрения максимальной нагрузки, которую способно выдержать грунтовое основание без разрушения. Выводы 1. Введение армирующих геосинтетических материалов в фундаментные подушки из связного грунта оказывает положительный эффект, увеличивается максимальная нагрузка, которую способно выдержать основание без разрушения. 2. Постепенное увеличение количества армирующих слоев до четырех приводит к росту максимальной нагрузки на основании до 330 кН/м. В то же время увеличение слоев армирования до пяти приводит к обратному эффекту, происходит снижение удельной несущей способности, так как геосинтетический материал не успевает включиться в работу со связным грунтом. 3. При переменном шаге армирования по схемам напряжений зафиксировано формирование уплотненного ядра разрушения в теле фундаментной подушки, что свидетельствует о достижении основанием предельной критической нагрузки и максимальном включении в работу армирующих геосинтетических материалов в связном грунте. 4. Наиболее эффективной конструкцией подушки является подушка, армированная с переменным шагом, однако для связных грунтов была скорректирована формула для определения шага армирования, она имеет следующий вид: Δh = (n - 1)·100+300, где n это количество слоев армирующих элементов.

About the authors

D. A Tatiannikov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 94

PDF (Russian) - 68

Refbacks

• There are currently no refbacks.