Фундаменты из оболочек представляют собой эффективное решение для распределения нагрузок и уменьшения процесса деформаций в грунте. Они могут быть выполнены из различных материалов, включая бетон и металлические конструкции, которые обладают высокой прочностью и стойкостью к внешним воздействиям. Оболочки могут принимать различные формы, что позволяет адаптировать фундамент под специфические требования архитектуры и геологических условий.
Одним из ключевых преимуществ таких фундаментов является их легкость, что значительно упрощает процесс транспортировки и монтажа. Кроме того, на этапе проектирования можно использовать компьютерное моделирование, что позволяет оптимизировать конструкцию и предсказать поведение фундамента на разных этапах эксплуатации. В результате, фундаменты из оболочек становятся все более популярными в современном строительстве, обеспечивая высокую надежность и долговечность сооружений.
Фундаменты-оболочки для производственных зданий из легких строительных конструкций Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»
Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Башлыков А. В., Гончаров Б. В., Гареева Н. Б
В статье кратко описана технология устройства фундаментов-оболочек на вытрамбованном грунтовом основании с использованием специальных штампов, погружаемых на заданную глубину дизель-молотом. Даются результаты опытной проверки технологии и продолжительности погружения штампа при вытрамбовке одного котлована. На основе результатов полевых опытов предлагается расчетная формула для оценки несущей способности фундамента по результатам вытрамбовки. Приведены результаты исследований формы уплотненной зоны грунтового массива по результатам статического зондирования. Даны рекомендации для оценки ожидаемой осадки фундамента-оболочки.
Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Башлыков А. В., Гончаров Б. В., Гареева Н. Б
О расчете фундаментов-оболочек на вытрамбованном грунтовом основании
Исследование работы фундаментов в вытрамбованных котлованах на вертикальную нагрузку и их расчет
Вытрамбованные фундаменты в грунтах со слабым подстилающим слоем
Исследование взаимодействия горизонтально нагруженных фундаментов в вытрамбованных котлованах с грунтом основания и их расчет с использованием зондирования
Проектирование оснований фундаментов резервуаров с использованием данных статического зондирования
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Текст научной работы на тему «Фундаменты-оболочки для производственных зданий из легких строительных конструкций»
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
А. В. БАШЛЫКОВ, аспирант,
Б. В. ГОНЧАРОВ, докт. техн. наук, профессор,
Н.Б. ГАРЕЕВА, докт. техн. наук, профессор,
ФУНДАМЕНТЫ-ОБОЛОЧКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ ИЗ ЛЕГКИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
В статье кратко описана технология устройства фундаментов-оболочек на вытрамбованном грунтовом основании с использованием специальных штампов, погружаемых на заданную глубину дизель-молотом. Даются результаты опытной проверки технологии и продолжительности погружения штампа при вытрамбовке одного котлована. На основе результатов полевых опытов предлагается расчетная формула для оценки несущей способности фундамента по результатам вытрамбовки. Приведены результаты исследований формы уплотненной зоны грунтового массива по результатам статического зондирования. Даны рекомендации для оценки ожидаемой осадки фундамента-оболочки.
Программа правительства по развитию малого и среднего предпринимательства способствует значительному увеличению объемов строительства производственных зданий преимущественно быстромонтируемых с металлическим каркасом и легкими ограждающими конструкциями. Это обстоятельство требует применения облегченных фундаментов, а также индустриальных технологий их устройства с малыми сроками.
Институтом БашНИИстрой совместно с Уфимским государственным нефтяным техническим университетом разработана технология устройства фундаментов-оболочек на вытрамбованном основании [1]. Вначале производится вытрамбовка грунта дизель-молотом с помощью специального штампа (рис. 1, а), в результате получают котлован с уплотненным коническим основанием (рис. 1, б), на которое устанавливается тонкостенная железобетонная оболочка (рис. 1, в).
Опытная проверка технологии проводилась в полевых условиях на площадке с залеганием грунтов, имеющих по всей глубине вытрамбовки показатель текучести = 0,2-0,3. На рис. 2, а представлены данные статического зондирования, а в табл. 1 — характеристики грунтов.
Рис. 1. Последовательность устройства фундамента-оболочки:
а — вытрамбовка грунта в котловане; б — котлован с уплотненным коническим основанием; в — установка тонкостенной железобетонной оболочки: 1 — дизель-молот; 2 — металлический штамп; 3 — уплотненное коническое основание; 4 -фундамент-оболочка; 5 — колонна
Плотность р, г/см3 Влажность, Ж, д.е. Коэффициент пористости е Показатель текучести З Угол внутреннего трения ф,град Удельное сцепление С, МПа
1,914 0,29 0,83 0,24 18 0,025
Рис. 2. Результат зондирования грунта (а); ходограммы погружения штампа (б)
Вытрамбовка производилась металлическим коническим штампом с диаметром окружности основания В = 1,1 м. Для погружения штампа использован дизель-молот С-330, навешиваемый на мобильную копровую установку КО-8 конструкции института БашНИИстрой. На рис. 2, б представлены ходо-граммы погружения штампов.
Результаты погружений показывают, что на вы-трамбовку котлована до глубины заложения фундамента затрачивалось до 4 мин. Для всей оптимальной области применения по грунтам следует ожидать продолжительность погружения штампа от 3 до 5 мин. С учётом затрат времени на вспомогательные операции производительность работ по вытрамбовке при дизель-молоте С-330 следует ожидать до 15-18 котлованов в смену.
Имеющиеся дизель-молоты на мобильных сваебойных агрегатах в настоящее время позволяют строительным организациям сооружать фундаменты с несущей способностью до 600 кН.
Технология опробована в полевых условиях. На рис. 3 представлен график статических испытаний фундамента-оболочки диаметром В = 1,1 м с глубиной заложения 1,8 м.
В настоящее время методика расчета фундаментов-оболочек на вытрамбованном основании не разработана. Несущая способность может определяться по результатам статических испытаний как нагрузка при осадке S = 40 мм [2]. Поэтому требуется разработка экспресс-метода оценки несущей способности фундамента-оболочки, так как статические испытания требуют значительных затрат средств и времени.
На кафедре автомобильных дорог УГНТУ разработана методика проведения динамических испытаний. При погружении штампа измеряется перемещение на последнем залоге при числе ударов п = 10. Величина перемещения за один удар определяет остаточный «отказ». Для расчета предложена формула
Рис. 3. График статических испытаний
где К — коэффициент, учитывающий долю полезной энергии, затраченной на уплотнение грунта; Е — энергия удара молота; е — остаточный «отказ»; с — упругий «отказ».
Величина коэффициента К и упругого «отказа» определены экспериментально как К = 0,16 и с = 8 мм.
Трудным вопросом при расчете фундаментов-оболочек на вытрамбованном основании является оценка ожидаемой осадки при расчетной нагрузке из-за сложной картины зон уплотнения грунта в основании.
Были выполнены экспериментальные работы в полевых условиях по оценке уплотненной зоны.
Было проведено статическое зондирование после погружения штампа на заданную глубину. На рис. 4, а представлены результаты статического зондирования, а на рис. 4, б показана схема уплотненной зоны грунта.
В т. 1 выполнено зондирование по центру до вытрамбовки естественного грунта, т. 2 выбрана в центре контура штампа после вытрамбовки, и т. 3 размещена на границе контура штампа после вытрамбовки. Эти результаты показывают, что наблюдается кумулятивный эффект, вызванный формой штампа, а границы уплотненной зоны не выходят за контур штампа.
Рис. 4. Результаты статического зондирования (а); форма уплотнения грунтового ядра (б); т. 1, т. 2, т. 3 — точки статического зондирования грунтов
Был выполнен расчет величины осадки методом послойного суммирования [3] от давления на грунт при нагрузке, вызвавшей осадку величиной 40 мм при статических испытаниях. В табл. 2 приведены результаты расчета.
Данные фактической и расчетной осадки
Величина расчетной осадки, мм Результаты статических испытаний
Осадка в конце линейной зоны, мм Осадка при расчетной нагрузке, мм
Данные таблицы показывают, что фактическая осадка штампа превышает расчетную примерно в три раза.
Это можно объяснить наличием кумулятивного эффекта при уплотнении и последующего проскальзывания уплотненного ядра при нагрузке на фундамент-оболочку во время испытания.
Поэтому при практическом применении фундаментов-оболочек на вытрамбованном основании предлагается для оценки ожидаемой осадки при расчетной нагрузке, полученной по результатам вытрамбовки, считать, что она гарантируется в пределах 40 мм.
Это обосновано тем, что величина коэффициента К в предложенной формуле определялась при величине осадки в этих пределах.
1. Пат. 2101420. Российская Федерация МЕИ6Е02Д27/26. Способ возведения фундамента-оболочки. Бюл. изобр. № 1, 1986.
2. Руководство по проектированию и устройству фундаментов в вытрамбованных котлованах. — М. : Стройиздат, 1981. — 50 с.
3. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. Свод правил по проектированию и строительству: СП-50-101-2004. — М., 2005.
A.V. BASHLYKOV, B.V. GONCHAROV, N.B. GAREEVA
FOUNDATIONS-CASES FOR THE INDUSTRIAL BUILDINGS OF LIGHTWEIGHT CONSTRUCTION STRUCTURES
The paper briefly describes the technology of setting up of foundation-cases on the tamped soil base with the use of special stamps dipped to the given depth by the diesel hammer. The results of test control of technology and duration of a stamp dipping when one trench tamping are given. Based on in-situ tests results, the design formula is suggested to evaluate the foundation load capacity from the results of tamping. The results of the investigations of the form of soil mass compacted zone are shown. Recommendations for the evaluation of the expected setting up of the foundation-case are given in the paper.
Из истории о фундаментах-оболочках
В течение всего периода эксплуатации любого здания фундаменты должны обеспечивать его надежное опирание, учитывая возможные допустимые осадки и крены. Поэтому именно фундамент является наиболее ответственной конструкцией при проектировании, строительстве и эксплуатации любого сооружения или здания.
Фундаменты также должны обладать необходимой прочностью и трещиностойкостью при значительных нагрузках. Немаловажную роль играет и основание, на котором этот фундамент располагается. В практике промышленного и гражданского строительства широко применяются столбчатые монолитные фундаменты.
Существует большое количество разработанных типов сборных отдельно стоящих фундаментов. Но, к сожалению, не все они получили широкого распространения.
Причиной тому есть большой вес сборных элементов, незначительное снижение расхода бетона, увеличение веса арматуры, сложность соединения отдельных сборных элементов (эта особенность особого внимания заслуживает именно в сейсмоопасных районах). Но, стоит отметить, что данная статья посвящена не просто столбчатым фундамента, а отдельно стоящим тонкостенным фундаментам в виде оболочек.
А именно истории возникновения и развития данного типа столбчатых фундаментов. Это достаточно вычурный и мало встречающийся вид фундамента, но как показали исследования, очень эффективный. Именно в конструкциях типа тонкостенных оболочек наиболее полно используются прочностные свойства бетона и арматуры.
Сравнение фундаментов облегченного типа с обычными столбчатыми монолитными и сборными фундаментами показали, что в результате их применения может быть получена экономия в материалах от 60 до 70% и в трудозатратах на стройплощадке до 70% [1]. Среди известных ученых, которые внесли немалую лепту в изучение данного вопроса, можно выделить Ф. Канделу, А.Н. Тетиора, С.В. Родина, А.П.
Кудзиса, Б.В. Гончарова, В.И. Редькина, А.В. Рыбакова, В.З. Власова, Ю.М. Гончарова, Я.А. Пронозина и других.
Первый тонкостенный фундамент был сконструирован еще до изобретения железобетона и выполнялись, как правило, из кирпича или дерева. Данный тип фундаментов чаще всего применялся на слабых сильно сжимаемых грунтах, так как основанию можно было легко придать форму поверхности монтируемой оболочки без специальных механизмов.
Поначалу применялись наиболее простые геометрические формы оболочек, например, цилиндрические. Благодаря изобретению железобетона произошел постепенный переход от оболочек одинарной к оболочкам двоякой кривизны. Это связано с тем, что конструкции двоякой кривизны имеют бо ‘ льшую жесткость и, как результат, они получаются наиболее экономичными.
Данную тенденцию развития можно проследить и для тонкостенных покрытий. Родоначальником в данной области можно считать мексиканского инженера-архитектора Феликса Канделу (27.01.1910-07.12.1997). Такой тип фундаментов был им использован при строительстве некоторых промышленных и даже административных зданий[2].
Фундаменты-оболочки армировались одинарной арматурой, которая располагалась по центру сечения стенки конструкции. Свободный край оболочки дополнительно усиливался армированием (рис. 1). Большой восторг вызывают габариты и размеры сечений данного фундамента: ширина основания конструкции составляет 4 м, длина – также 4м, а толщина стенки при этом всего150 мм.
Со временем, такой тип фундаментов начали применять и в других странах [3]. Вопрос о методах расчета и конструировании фундаментов — оболочек (в частности фундамента в виде конической оболочки и плиты) достаточно освещены в научных работах Александра Никаноровича Тетиора. По данному вопросу им было выпушен ряд книг и научных трудов.
Тетиор А.Н. в своих трудах рассматривал метод предельного равновесия для определения прочности фундамента — оболочки. Суть метода предельного равновесия заключается в следующем: рассматривается равновесие конструкции к моменту потери ею несущей способности и переход фундамента в геометрически изменяемую систему, т.е. конструкция состоит из отдельных жестких звеньев, к граням которых приложены предельные усилия.
Важно, что Александр Никанорович был не только теоретиком, но и практиком, так как он был руководителем большого количества лабораторных и полевых испытаний данных фундаментов. В лаборатории оснований и фундаментов им проводились натурные испытания трех видов фундаментов оболочек.
Исследования проводились на крупномасштабных и натурных образцах, которые доводились до разрушения (рис. 2). Таким образом, получали фактическую разрушающую нагрузку для каждого типа фундамента. Также определялись схемы разрушений, напряженно – деформированное состояние, формы эпюр контактных давлений, влияние формы фундамента на осадку и крен.
В результате испытаний были получены фактические разрушающие нагрузки, которые были весьма близки к расчетному значению. Разница в величинах вычисленной и опытной, идущая в запас прочности фундамента, составила от 18% до 20% [1].
Эту погрешность можно пояснить перераспределением контактных давлений при доведении фундамента до разрушения, а также значительной жесткостью фундамента, которая не была учтена в расчетах. В результате проделанной работы, Александр Никанорович доказал, что наилучшим с точки зрения экономии является расчет методом предельного равновесия [4].
Кудзис А.П. в учебнике для строительных вузов «Железобетонные и каменные конструкции» приводит общий принцип расчета тонких оболочек. Классическая теория расчета оболочек базируется на двух основных гипотезах. Гипотеза №1: линейный элемент, нормальный к серединной поверхности оболочки, остается прямым и нормальным к данной поверхности после деформации.
Гипотеза №2: напряжения на площадках, параллельных срединной поверхности, не учитываются. Исследования (теоретически и экспериментальные) показывают, что железобетонные фундаменты-оболочки могут работать под нагрузкой как в упругом, так и упругопластическом состоянии [5].
В [5] приводится краткое описание расчета оболочки (с приведением основных формул) по безмоментоной теории. Тонкостенные оболочки имеют малую жесткость на изгиб по сравнению с жесткостью против действия нормальных и сдвигающих усилий. Поэтому в большей степени мы имеем дело с безмоментным напряженным состоянием.
В настоящее время, благодаря научным разработкам пионеров в области тонкостенного фундаментостроения, существует ряд методов расчета столбчатых фундаментов – оболочек, которые широко применяются при их проектировании, но они требуют совершенствования и дополнения по не которым направлениям. В расчетах обязательно должна учитываться совместная работа основания, фундамента и надфундаментных конструкций.
В заключении можно сделать вывод, что механизм взаимодействия различных типов данных фундаментов-оболочек с основанием является сложным и еще малоизученным. Негативное влияние также оказывает отсутствие нормативных документов по проектированию и расчету таких фундаментов, что зачастую приводит к принятию неправильных инженерных решений.
Наиболее перспективное направление изучения данного вопроса основано на исследовании взаимного влияния фундаментов и оснований. Список литературы: 1. Тетиор А. Н. Прогрессивные конструкции фундаментов для условий Урала и Тюменской области: учеб. пособие для студ. учреждений высш. проф. образования. — М.: СУКИС, 1971.-179с. 2. Candela F., The Shell Builder. Reinhold – Publ. Co. N. Y., 1963.
3. Тетиор А.Н. Железобетонные оболочки в качестве фундаментов. Основания, фундаменты и механика грунтов, 1965, №6. 4. Тетиор А.Н. Фундаменты : учеб. пособие для студ. Учреждений высш.проф. образования / А.Н.Тетиор. — М. : Издательский центр «Академия», 2010. — 400 с. 5. Кудзис А.П.
Железобетонные и каменные конструкции: Учеб. для строит. спец. вузов. В 2-х частях. Ч.2. Материалы, конструирование, теория и расчет. М.: Высш. шк., 1989.- 264с.
