Лекция 2. Взаимодействие фундаментов с основанием. Основы инженерной теории расчета конструкций на упругом основании. Расчетные схемы. Использование прикладных программ

1. Взаимодействие фундаментов с основанием исследуется с целью определения: перемещений фундаментов; внутренних усилий в конструкциях фундаментов; напряжений на контакте фундаментов с основанием (контактных напряжений).

Как уже отмечалось (см. лекцию 1), параметры взаимодействия фундаментов с конструктивными элементами сооружения зависят от конструктивных характеристик этих элементов (жесткости основания, размеров сечений и жесткостных характеристик материалов конструкций и т.п.). По этой причине уровень напряженно-деформированного состояния фундаментов также является функцией конструктивных параметров элементов сооружения. Покажем это на примере жесткой фундаментной балки (рис. 2.1), загруженной равномерно распределенной нагрузкой.

Рис. 2.1. Зависимость внутренних усилий в жесткой фундаментной балке от принятой в расчете модели грунтового основания:
а – линейно-деформируемое полупространство; б – модель Винклера;
р – эпюры отпора грунта; M – эпюры изгибающих моментов; Q – эпюры поперечных сил; q – равномерно распределенная нагрузка; S – осадка.

В первом случае (рис. 2.1 а) балка опирается на основание из плотной глины, деформирование которого удовлетворительно описывается моделью общих деформаций, например, моделью линейно-деформируемого полупространства (см. курс "Механика грунтов", лекция №7). Известно, что эпюра отпора грунта для этого случая имеет неравномерное распределение по длине балки с минимумом в центральном сечении и с максимумами по краям балки. В сечениях балки сумма сил, лежащих по одну сторону от сечения, представленных распределенной нагрузкой q и эпюрой отпора грунта p, не является самоуравновешенной. В связи с этим в сечениях балки возникают поперечные силы Q (рис. 2.1 а). Неуравновешенными также являются моменты сил, лежащих по одну сторону от сечения, чем обусловлено возникновение в сечениях балки изгибающих моментов M. Таким образом, отсутствие самоуравновешенности в сечениях балки параметров ее взаимодействия с элементами системы обуславливает возникновение в этих сечениях внутренних усилий – изгибающих моментов М и поперечных сил Q.

Во втором случае (рис. 2.1 б) балка опирается на основание из недоуплотненного песка. Деформирование такого основания удовлетворительно описывается моделью местных деформаций, например, моделью Винклера. Известный здесь результат заключается в том, что эпюра отпора грунта является равномерной по длине балки. Из условия равновесия следует, что отпор грунта p равен по величине и направлен противоположно действующей на балку равномерно распределенной нагрузке q. Совершенно очевидно, что в рассматриваемом случае эпюры нагрузок и отпора грунта самоуравновешены в любом сечении балки. Из этого следует, что эпюры изгибающих моментов и поперечных сил в сечениях балки тождественно равны нулю. Из рассмотренного примера следует вывод о существенном влиянии на уровень напряженно-деформированного состояния фундаментов вида грунтового основания как конструктивного элемента в системе сооружения.

Различают жесткие фундаменты и фундаменты конечной жесткости. Для жесткого фундамента, как правило, с некоторым приближением принимают прямолинейную эпюру контактных напряжений. Перемещения фундамента определяют как для жесткого тела. Собственными деформациями и прогибами конструкций фундамента пренебрегают.

Жесткими, как правило, считаются столбчатые фундаменты под колонны, плитные фундаменты под оборудование и т.п. Для фундамента конечной жесткости форма эпюры контактных напряжений зависит от жесткости фундаментных конструкций и податливости основания. Перемещения фундамента определяют как для деформируемой системы в каждом ее расчетном узле. Фундаментами конечной жесткости, как правило, являются ленточные фундаменты, плитные фундаменты и т.п. Для классификации ленточного фундамента вычисляют такие характеристики:

показатель жесткости системы балка-основание:

(2.1)

приведенную длину:

(2.2)

где С - погонный коэффициент жесткости основания (кН/м² );
EI - изгибная жесткость балки (кН×м²);
L - длина ленточного фундамента (балки).

В зависимости от численного значения приведенной длины балки делятся на три категории:

- балки жесткие, если l < 1;

- балки короткие, если 1 £ l £ 6;

- балки длинные, если l > 6.

Балки жесткие с достаточной степенью обоснованности можно отнести к жестким фундаментам. Балки короткие и длинные относятся к фундаментам конечной жесткости.

Ленточный фундамент является пространственной конструкцией, состоящей из балки (ребра) и плиты, передающей нагрузки на основание. При этом довольно часто балка рассматривается как фундамент конечной жесткости, а плита в поперечном сечении ленточного фундамента как жесткий фундамент.

Как уже отмечалось, для фундамента конечной жесткости не представляется возможным принимать эпюры контактных напряжений прямолинейными, так как вследствие изгиба фундамента давление на грунт увеличивается в местах передачи сосредоточенных сил и уменьшается в промежутках между этими силами. Иными словами, в балке, нагруженной сосредоточенными силами от колоны, опирающейся на упругое основание, грунт сжимается сильнее там, где действуют сосредоточенные силы, оказывая тем самым усиленную поддержку балке в наиболее просевших ее частях. В силу этого при расчете фундаментов конечной жесткости должно быть учтено взаимодействие фундаментной конструкции и сжимаемого основания, т.е. расчет таких фундаментов нужно производить как конструкций на упругом основании.

Сопоставительные результаты расчетов жесткой балки и балки конечной жесткости показаны на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Зависимость внутренних усилий в фундаментной балке на Винклеровском основании от ее жесткости:
а – абсолютно жесткая балка; б – балка конечной жесткости;
р – эпюры отпора грунта; M – эпюры изгибающих моментов; Q – эпюры поперечных сил; q – равномерно распределенная нагрузка; S – осадка.

Изгиб фундаментной балки (рис. 2.2 б) под действием нагрузки приводит к перераспределению эпюры отпора грунта по сравнению с абсолютно жесткой балкой (рис. 2.2 а) со смещением максимального давления в точку приложения силы N. При этом площадь эпюры отпора грунта не изменяется (условие равновесия системы "балка – основание"). Трансформация эпюры отпора грунта приводит к уменьшению изгибающих моментов в сечениях фундаментной балки. Поперечные силы также уменьшаются, однако в центральном сечении сохраняется неизменное значение поперечной силы, равное половине площади эпюры отпора грунта. В целом повышение давлений на грунт в центральном сечении фундамента за счет его изгиба приводит к увеличению осадки.

Из рассмотренного примера можно сделать вывод о том, что повышение жесткости фундамента приводит к увеличению в нем внутренних усилий и уменьшению неравномерных осадок по длине фундамента. При этом средняя осадка фундамента остается неизменной.

Жесткость фундаментов, а точнее фундаментов с надземными конструкциями, определяет способность сооружения выравнивать осадки основания в плане подошвы фундаментов. Более жесткие сооружения обеспечивают равномерное распределение осадок, а увеличение гибкости приводит к значительным неравномерным осадкам и деформациям.

Методы учета совместной работы системы основание - фундамент - верхнее строение делят на три группы.

1. Комплексный совместный расчет надземного строения, фундамента и грунтового основания.

2. Расчет оснований и фундаментов как конструкций на упругом основании с учетом предварительно вычисленной жесткости сооружения.

3. Использование при проектировании оснований и фундаментов справочных данных о допустимых перемещениях фундаментов, корректирующих коэффициентов и рекомендаций, учитывающих жесткостные особенности сооружения.

Первая группа методов рассматривает сооружение, фундамент и основание как неделимое, совместно деформирующееся целое. При этом используют различные расчетные схемы или расчетные идеализации надземного строения, фундаментов и основания. Например, каркасное здание на столбчатых фундаментах может быть представлено такой расчетной схемой (рис. 2.3): надземное строение - рама; фундамент - стержень бесконечной жесткости; основание - стержень с жесткостью, эквивалентной жесткости основания. Указанные элементы расчетной схемы сопрягаются между собой жестко, создавая расчетную модель сооружения. Такие системы могут рассчитываться на заданные нагрузки и воздействия с использованием программного обеспечения САПР (систем автоматизированного проектирования). Примерами таких программных комплексов являются: разработанные в Украине – "Мираж", "Лира – Windows", "SCAD", "Полифем"; разработанные за рубежом – "Robot", "Ansys", "Nostran" и др.

Рис. 2.3. Расчетная схема рамы на столбчатых фундаментах:
1 – абсолютно жесткий стержень, моделирующий фундамент; 2 – стержень, моделирующий работу основания с жесткостными характеристиками EF, GF, EI; 3 – стержни, моделирующие элементы каркаса; q, M, N, W – нагрузка; y₁, y₂, y₃ – вынужденные перемещения основания.

Довольно часто для составления расчетных схем системы основание - фундамент - верхнее строение используются конечно-элементные модели. Основание в таких расчетных схемах представляется как линейно или нелинейно деформируемая среда. Указанные системы также рассчитываются с использованием программного обеспечения САПР. В последнее время в связи с интенсивным развитием вычислительной техники и программного обеспечения, в т.ч. для персональных ЭВМ, использование для расчета систем основание - фундамент - верхнее строение методов первой группы стало традиционным.

Вторая группа методов предполагает интегральную оценку жесткости надфундаментных конструкций, в результате чего расчет системы основание - фундамент - верхнее строение сводится к расчету фундамента обобщенной жесткости на деформируемом основании. В общем случае обобщенная жесткость сооружения вычисляется как величина внутреннего усилия, приводящая к единичной деформации в сечении. Обычно для определения обобщенной жесткости сооружения используют следующий прием.

По оси сооружения в плоскости изгиба выделяют два вертикальных сечения, отстоящих друг от друга на расстоянии d. Для рамы каркаса величина d является шагом колонн. Для стены бескаркасного здания (рис. 2.4) величина d является расстоянием между осями смежных простенков и т.д. В сечениях устанавливают заделки (связи, препятствующие угловым и линейным перемещениям). Одно из сечений смещают по направлению рассматриваемого перемещения на единицу (перемещают закрепление соответствующей связи). Вычисляют реакцию в заделке по направлению рассматриваемого перемещения, значение которой пропорционально соответствующей обобщенной жесткости сечения.

Рис. 2.4. Схемы к определению обобщенных жесткостей стены крупнопанельного здания: а – изгибной; б – сдвиговой; в – осевой.

При определении обобщенной изгибной жесткости сечение смещают на угол j (рис. 2.4 а). При этом предварительно определяют положение в сечении нейтральной оси из условия равенства нулю продольной силы N. Поворот сечения на угол j осуществляют относительно центра поворота, находящегося на нейтральной оси. Используя гипотезу плоских сечений, физические уравнения и уравнения равновесия, определяют обобщенный изгибающий момент в сечении как сумму моментов всех реакций относительно центра поворота.

Алгоритм вычисления обобщенного изгибающего момента в сечении от его поворота на угол j можно представить следующими формулами:

где j - номер горизонтальной связи в сечении, например, поэтажного пояса;
d_j – удлинение (укорочение) связи; e_j, EF_j – соответственно осевая деформация и осевая жесткость связи; y₀ – ордината нейтральной оси;
y_j – ордината связи.

Полагают, что для обобщенных усилий и перемещений справедливы формулы технической теории изгиба балок:

(2.4)

где М - обобщенный изгибающий момент в сечении от вынужденного поворота на угол j; - обобщенная изгибная жесткость сечения.

Из выражений (2.3) и (2.4) определяется обобщенная изгибная жесткость сечения:

(2.5)

При определении обобщенной сдвиговой жесткости (рис. 2.4 б) смещают сечение по нормали к оси сооружения на величину y. От указанного воздействия определяется обобщенная поперечная сила в сечении Q, вычисляемая как сумма проекций всех сил в закреплениях на вертикальную ось.

Обычно составляющими обобщенной поперечной силы Q являются реакции Q_j в опорных сечениях перемычек от вертикального перемещения y, вызванные изгибными и сдвиговыми деформациями. В этом случае алгоритм определения обобщенной поперечной силы Q можно представить такими выражениями:

(2.6)

где EI_j, GF_j – соответственно изгибная и сдвиговая жесткости сечения сдвиговой связи, например, перемычки или участка фундамента.

Далее полагают, что в соответствии с технической теорией изгиба

(2.7)

где Q – обобщенная поперечная сила в сечении от вынужденного смещения у; - обобщенная сдвиговая жесткость сечения.

Из выражений (2.6) и (2.7) следует, что обобщенная сдвиговая жесткость сечения равна

(2.8)

Аналогичным образом вычисляется обобщенная осевая жесткость сечения:

(2.9)

где N - обобщенная продольная сила в сечении от вынужденного продольного смещения d (рис. 2.4 в); - осевая жесткость горизонтальной связи.

В технической литературе содержатся также более строгие предложения по определению обобщенных жесткостных характеристик сечений сооружения или его частей, например, с учетом депланаций сечений.

Обобщенные жесткостные характеристики можно также определить методом пробных нагружений. Для этого, например, сооружение закрепляют от смещений по одному из вертикальных сечений. К торцу свободной части сооружения прикладывают обобщенное усилие и вычисляют (точными методами) обобщенное перемещение по направлению этого усилия. Используя зависимости технической теории изгиба балок, определяют значения обобщенных жесткостных характеристик сечений. Основным недостатком методов второй группы является необходимость распределения обобщенных усилий, найденных в результате решения контактной задачи, между фундаментами и надземными конструкциями. Указанное распределение обычно производится пропорционально жесткостям элементов, составляющих конструктивную систему сооружения.

Усилие в горизонтальной связи N_k, вызванное действием обобщенного изгибающего момента в сечении М, определяется по формулам:

(2.10)

Усилие в сдвиговой связи Q_k, вызванное действием обобщенной поперечной силы Q, определяется по формуле:

(2.11)

Аналогично определяется усилие в горизонтальной связи N_k, вызванное действием обобщенной продольной силы N:

(2.12)

Методы второй группы лежат в основе нормативных документов по проектированию зданий и сооружений в сложных условиях строительства (просадочные грунты, подрабатываемые территории и т.п.).

Третья группа методов объединяет приемы оценки совместной работы основания и верхнего строения, в которых жесткость надфундаментных конструкций учитывается приближенно с помощью корректирующих коэффициентов и классификаций сооружений по жесткости. Такие методы разработаны в нормах на проектирование оснований зданий и сооружений и наиболее часто используются на практике в силу их простоты. По сути в этих методах используется принцип оценки предельных состояний сооружений по обобщенным деформационным критериям, которые установлены опытным путем на основании статистической обработки результатов натурных наблюдений за осадками зданий и сооружений. Например, для оценки прочности конструкций каркасного здания достаточно вычислить разность осадок его фундаментов и сравнить ее с допустимым значением, рекомендуемым нормами. При всей своей привлекательности методы третьей группы лишены основного достоинства - универсальности. Это означает, что, если в справочных материалах отсутствует соответствующий тип сооружения или вид деформаций основания, то применение метода становится невозможным, а его создание связано с огромным объемом длительных натурных наблюдений.

По этой причине перспективным является разработка методов третьей группы на основе математического моделирования с использованием точных решений по методам первой группы.

Ниже приводятся сведения о допустимых деформациях некоторых сооружений по данным различных норм и авторов.

Таблица 2.1

Дата добавления: 2014-01-07