ПЛИТНАЯ ЧАСТЬ КРУГЛЫХ И КОЛЬЦЕВЫХ ФУНДАМЕНТОВ

Полезная модель относится к строительству, в частности к устройству плитной части круглых и кольцевых фундаментов сооружений башенного типа (дымовые трубы, водонапорные башни, релейные и телевизионные вышки и т.д.), а также может быть использована в каркасных зданиях промышленного и гражданского назначения.
Известно устройство сплошных плитных фундаментов, состоящих из прямоугольной или квадратной плитной части в виде плоских, ребристых или коробчатых плит и верхней части строения (Проектирование железобетонных конструкций: Справочное пособие/ А.Б.Голышев, В.Я.Бачинский, В.П.Полищук и др.; под ред. А.Б.Голышева. - К.:
Будевiвельник, 1985. - 496 с.[1]). Недостатком данного устройства является зависимость значений моментов сопротивления, от направления в котором они определяются, что приводит к разным значениям максимальных и минимальных давлений под подошвой фундамента, необходимости поиска наиболее неблагоприятного сечения и усложняется методика по подбору арматуры.
Наиболее близким по технической сущности является устройство сплошных плитных фундаментов круглого или кольцевого сечения, состоящее из плитной части и надфундаментного строения. (Железобетонные конструкции: Спец. курс. Учеб. Пособие для вузов / В.Н.Байков, П.Ф.Дроздов, И.А.Трифонов и др.; Под ред. В.Н.Байкова - 3-е изд. прераб. - М.: Стройиздат, 1981. - 767 с.[2]). Недостатком данного устройства является значительная деформация сжимаемого основания фундамента, что приводит к необходимости увеличения площади контакта плитной части фундамента с основанием, а, следовательно, к увеличению расхода материалов.
Техническая задача - увеличение несущей способности сжимаемого основания фундамента и, как следствие, уменьшение осадки, крена, бокового смещения и повышение надежности работы строительных конструкций каркасных зданий.
Техническая задача достигается тем, что консольные вылеты длиной 0,15-0,2 от внешнего диаметра фундамента с отношением d/D равным 0-0,5 (где d, D - соответственно внутренний и наружный диаметры плитной части фундамента) наклонены к горизонтали под углом равным 30°-45°.
Под консолями понимается плитная часть фундамента расположенная за пределами наружной окружности надфундаментного строения. Данное техническое решение можно применить к плитной части круглых и кольцевых фундаментов, имеющих консольные вылеты. К таким фундаментам можно отнести фундаменты с отношением d/D=0-0,5. При увеличении отношения d/D>0,5 (с шагом отношения d/D=0,1) применение данного технического решения затруднительно, а порой невозможно из-за очень узкой ширины кольца. Наиболее предпочтительней является применение наклонных консолей для кольцевых фундаментов. Одними из достоинств фундамента с плитной частью кольцевой формы по отношению к круглой форме, при одинаковой площади горизонтального контакта и высоты плитной части, являются большая устойчивость сооружения в целом и увеличение осевого момента сопротивлении подошвы фундамента, что приводит к уменьшению краевых давлений.
Данное техническое решение базируется на экспериментальных исследованиях, проведенных на железобетонных и фибробетонных моделях плитных частей фундамента круглой и кольцевой форм (при значении отношения d/D=0-0,4 с модулем d/D=0,2) с одинаковой площадью горизонтального контакта при действии вертикальной и наклонной, центрально и внецентренно приложенных нагрузок. Что касается отношения d/D=0,5, то данное техническое решение здесь применимо, но экспериментальные исследования с этим штампом не были проведены.
Конструктивный раздел графического материала: конструкции моделей, схемы лабораторных установок, геометрические размеры и
схемы армирования образцов.
На фиг.1 представлена предлагаемая модель (а) и варианты конструктивного решения наружного торца консолей (б-д). На фиг.2 лабораторные установки для исследования деформаций и несущей способности моделей плитной части фундамента (штампов) при передаче вертикальной нагрузки с помощью гидравлического домкрата - установка N1 (а) и вертикальной и наклонной с помощью рычажного механизма - установка N2 (б). На фиг.3 представлены схемы армирования и нагружения штампов. Геометрические размеры штампов представлены в приложении 1.
Экспериментальный раздел графического материала: результаты экспериментальных исследований в форме зависимостей. Лабораторная установка N1
u
На фиг.4 показаны зависимости несущей способности основания F от отношения вылета консоли (t) к наружному диаметру модели (D) - t/D равным 0; 0,087; 0,174; 0,261 при действии вертикальной центральной (а) и внецентренной нагрузки с эксцентриситетом равным радиусу ядра сечения D/8 (б), для штампов (Ф1-Ф12) (см. прил.1) при отношении d/D равном 1-0; 2-0,2; 3-0,4 и фиксированном значение угла наклона консоли равном для базовых вариантов α=0° и для предлагаемых вариантов - 30°. При отношении t/D≥0,3 диапазон применения кольцевых фундаментов также сужается (d/D<0,4).
Лабораторная установка N2
u
u
u
На фиг.5 представлены зависимости несущей способности основания F от угла наклона консоли α=0° (базовый вариант); 15°; 30°; 45° (предлагаемые варианты) при центральном (а) и внецентренном действии вертикальной нагрузке с эксцентриситетом D/8 (б), для штампов (Ф13-Ф24) при отношении d/D равном 1-0; 2-0,2; 3-0,4 и фиксированном отношение t/D=0,2. На фиг.6 представлены зависимости несущей способности основания F от эксцентриситета приложения силы (е=0; D/8; D/4) для штампов Ф21 и Ф23 (с отношениями d/D=0,4 и t/D=0,2) при угле наклона консолей равном: 1-α=0° (базовый вариант); 2-α=30° (предлагаемый вариант). На фиг.7 представлены зависимости несущей способности основания F от угла наклона нагрузки к вертикальной оси (β=0°; 7,5°; 15°) при центральном (а) и внецентренном действии нагрузке с эксцентриситетом D/8 (б) для штампов Ф21 и Ф23 (с отношениями d/D=0,4 и t/D=0,2) при угле наклона консолей: 1-α=0° (базовый вариант); 2-α=30° (предлагаемый вариант). На фиг.8 представлены графики зависимости осадки от центрально приложенной вертикальной нагрузки для штампов Ф21 и Ф23 (а) и Ф9 и Ф11 (б) - где приведены зависимости базового штампа - 1 и штампа с наклонными консолями - 2 (относительный вылет консоли равен - 0,2; угол наклона - 30°).
Полезная модель состоит из цилиндрической стаканной части фундамента 1 и плитной части круглой или кольцевой формы с отношением d/D=0-0,5, имеющей наклонные консоли 2 с относительным вылетом равным (0,15-0,2) от внешнего диаметра и углом наклона консоли к горизонтали α=(30-45)° (фиг.1).
3
Методика проведения экспериментов: исследования проводились в лаборатории механики грунтов на лабораторных установках изображенных на фиг.2. Основанием (3) служил однородный мелкозернистый пылеватый песок со следующими основными физикомеханическими характеристиками: относительная влажность ω=10%; плотность ρ=1,7 г/см; угол внутреннего трения φ=32°; коэффициент сцепления с=33 кПа; модуль деформации Е=12 МПа. Просеянный песок отсыпали слоями по 30 см и уплотняли металлической трамбовкой. Требуемая плотность основания достигалась определенным числом ударов трамбовки по одному следу. После каждого эксперимента песок убирали из пространственного металлического лотка (4) на глубину 2-3 диаметра модели ниже подошвы и укладывали заново. На предварительно уплотненный грунт устанавливалась железобетонная модель 5. На нее укладывалась металлическая плита 6 для передачи равномерно распределенной нагрузки на штамп. Вертикальная и наклонная нагрузки передавались на модели ступенями - по 0,1 от разрушающей, с выдержкой по 10 минут на каждой до условной стабилизации показаний индикаторов.
На установке, изображенной на фиг.2 (а), нагрузка создавалась с помощью гидравлического домкрата 7 через образцовый динамометр ДОС-5 8, установленный между домкратом 7 и балкой 9. На лабораторной установке изображенной на фиг.2, (б) наклонная нагрузка передавалась с помощью рычага 10 с противовесом 11 и системы грузов 12.
u
z
x
В ходе испытаний определялись несущая способность основания (F), осадка (S), крен (1) и боковое смещение штампа (S). Вертикальные и боковые перемещения определялись индикаторами ИЧ-10 часового типа 13, с ценной деления 0,01 мм, укрепленными на независимой реперной раме.
fm
Конструктивные решения моделей штампов: было изготовлено две серии образцов, в каждой по 12 штампов, соответственно, железобетонных из бетона В 10 армированных арматурной сеткой диаметром 4 мм класса В500 (Ф1-Ф12) и фибробетонных армированных стальными фибрами диаметром 0,8 мм длиной 20 мм с коэффициентом армирования по массе равным µ=10% (Ф13-Ф24). В каждой серии была одинаковая горизонтальная площадь контакта штампов с основанием. Основные параметры моделей приведены в приложении 1, а схемы армирования и нагружения представлены на фиг.3.
Варианты конструктивных решений наружного торца консольных выступов модели приведены на фиг.1, (б-д). В реальных условиях выбор конструктивного решения консоли зависит от конструктивных, технологических, экономических и других факторов. В лабораторных исследованиях выбор варианта конструкции консоли ограничивался конструктивными и технологическими соображениями - обеспечении наиболее простой технологии при изготовлении штампов (фиг.1, б), однако, данное конструктивное решение имеет недостаток - режущую кромку консоли, которая приводит к увеличению крену штампов при внецентренном действии наклонной нагрузки. Для устранения этого недостатка можно воспользоваться конструктивным решением модели показанной на фиг.1, (в-д). Возможны и другие варианты конструктивного решения консольного вылета.
Принятые схемы нагружения. Все штампы по классификации Горбунова - Пасадова относятся к абсолютно жестким. Показатель гибкости штампов колеблется от 0,2 до 0,07, что значительно меньше предельного значения условной гибкости абсолютно жестких штампов равного 0,5 (Горбунов - Пасадов М.И., Маликова Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании. - 3-е изд. перераб. и доп.- М.: Стройиздат, 1984. - 679 с. ил. (на стр.182) [3]). Для таких штампов осадка не зависит от условия передачи любой осесимметричной нагрузки. В экспериментальных исследованиях были приняты следующие схемы нагружения: равномерные по площади кольца или по всей площади штампа, которые создавались при помощи распределительных жестких металлических дисков. На фиг.3 показаны схемы нагружения штампов вертикальной и наклонной, центральной и внецентренной равномерно распределенной нагрузкой по кольцу.
Этапы экспериментальных исследований
Испытания штампов были проведены в три этапа.
На первом этапе были проведены экспериментальные исследования моделей фундамента Ф1-Ф12 в лабораторной установке N1 при действии вертикальной центральной и внецентренной нагрузки, создаваемой гидравлическим домкратом, при различных отношениях d/D=0; 0,2; 0,4 и t/D=0; 0,087; 0,174; 0,261 при фиксированном значении угла наклона консоли к горизонтали равным α=30° (для предлагаемого варианта) и α=0° (для базового варианта). Цель - определение наиболее оптимального вылета консоли для различных моделей штампов.
На втором этапе были проведены испытания штампов Ф13-Ф24 в лабораторной установке N2 при действии вертикальной центральной и внецентренной нагрузки, создаваемой рычажным механизмом, при различных отношениях d/D=0; 0,2; 0,4 и угле наклона консолей к горизонтали α=0°; 15°; 30°; 45° при фиксированном значении вылета консоли равном t/D=0,2. Цель определение оптимального угла наклона консолей.
u
zu
u
xu
На третьем этапе были проведены испытания только двух штампов Ф21 (базовый штамп - d/D=0,4 и α=0°) и Ф23 (предлагаемый вариант при d/D=0.4, α=30° и t/D=0,2). Цель - определение влияния действия наклонной (β=0°; 7,5°; 15° к вертикали) центральной и внецентренной нагрузки на предельные значения несущей способности основания F, осадки (s), крен (i) и боковое смещение штампа (s).
Результаты экспериментальных исследований
Первый этап. Из графиков на фиг.4 видно, что применение наклонных консолей позволяет увеличить несущую способность основания в 1,3…1,6 раза при центральном нагружении осевой нагрузкой и в 1,2…1,5 раза при внецентренном действии нагрузки с эксцентриситетом равным радиусу ядра сечения (e=D/8). Оптимальным диапазоном отношением t/D для данных штампов является интервал 0,15-0,2 при угле наклона консоли 30°.
Второй этап. Анализ графика на фиг.5 показывает наибольшее увеличение несущей способности основания предлагаемого варианта при оптимальных углах наклона консоли к горизонтали α=30°-45°. Предпочтение следует отнести к углу наклона консоли равном 30°, при котором расход материалов консоли меньше чем при угле наклона консоли равном 45°.
Третий этап. Анализ графиков на фиг.6 показывает существенную эффективность применения наклонных консолей при действии внецентренной вертикальной нагрузки 1,25-1,3 раза. Как видно из графиков на фиг.7 несущая способность штампа с наклонными консольными свесами при наклонном действии силы выше чем у штампа без наклонных консолей в 1,14-1,67 раза.
uz
u
ux
u
u
u
uz
ux
u
Значения предельных деформаций (осадка, крен, боковое смещение) и несущая способность основания, а также относительные значения деформаций на единицу несущей способности основания S/F, S/F, i/F, для базовых и предлагаемых вариантов при отношении d/D равном О и 0,2 представлены в приложении 2 (соответственно штампы Ф13 и Ф15, и Ф17 и Ф19). Для штампов Ф21 и Ф24 (d/D=0,4) проведены более полные исследования, результаты которых приведены в прил.3. Для предлагаемых вариантов значения S, S, и i приведены для нагрузок равных несущей способности базового варианта.
Выводы
1. Наклонные консоли можно применять для плитных частей фундаментов с отношением d/D=0-0,5.
2. Оптимальный вылет консолей составиляет 0,15-0,2 от внешнего диаметра штампа (см. фиг.4).
3. Оптимальный угол наклона консолей к горизонтали 30-45° (см. фиг.5).
4. Несущая способность основания предлагаемого варианта выше базового варианта в диапазоне изменения d/D=0-0,5 при действии вертикальной и наклонной, центральной и внецентренной нагрузок.
5. Вертикальная осадка и боковое смещение предлагаемого варианта меньше чем базового варианта при значениях внешней силы равной несущей способности базового варианта (см. прил.2 и прил.3).
6. Крен базового варианта меньше чем предлагаемого варианта из-за относительно острой кромки консоли штампа. Для устранения этого недостатка были разработаны различные конструктивные решения наклонных консолей, позволяющих устранить этот недостаток (фиг.1).
7. Расчет осадок производится по двум расчетным схемам: в виде линейно-деформируемого полупространства или линейно-деформируемого слоя. На фиг.8 показаны графики зависимости осадки от нагрузки для штампов (Ф23 и Ф11) с соотношением d/D=0,4 фиг.8, а и фиг.8,б из которых видно, что при малых уровнях нагружения в больших штампах (Ф11) имеется существенное уменьшение осадки в зоне линейно-деформированной зависимости осадки от нагрузки, а для штампов (Ф23) наблюдается увеличение зоны пропорциональности между нагрузкой и осадкой, что способствует увеличению запаса прочности при расчете основания.
8. Применение фундаментов с наклонными консолями особенно эффективно при использовании их в каркасных зданиях промышленного и гражданского назначения, в которых уменьшение осадки, а, следовательно, разности осадок приводит к повышению надежности работы конструкций надфундаментного строения.
9. Наклонные консоли превращают штатную часть плоской формы в пространственную, что влияет на ее напряженно-деформированное состояние. Расчет такого элемента можно произвести по упрощенной схеме в - виде толстостенного цилиндра с коническими стенками, нагруженного внутренним давлением. Отличие по отношению к плоским горизонтальным консолям состоит в действии в наклонных консолях дополнительных не только окружных растягивающих, но и осевых (наклонных) сжимающих усилий. Наличие наклонных консолей приводит в одном случае к улучшению условий работы конструкции (сжимающие вертикальные усилия), в другом - к ухудшению (окружные растягивающие усилия). В целом для оценки влияния этих усилий необходимо решать задачу для конкретных условий эксплуатации (грунтовые условия, условия опирания, схема нагружения и т.д.).
Приложение 1
Основные па раметры штампов
Раз.№п/п
d, мм
D, мм
d1, мм
d/D
t, мм
с, мм
h, мм
t/D
a
Ds1, мм
ds2, мм
ds3, мм
ds4, мм
тип лаб. уст.
Ф1
0
264
0
0
0
0
50
0
0
70
130
190
250
Лабораторная установка изображения на фиг.2а
Ф2
0
264
218
0
23
13
50
0,09
30
82
134
188
242
Ф3
0
264
172
0
46
26
50
0,17
30
82
134
192
242
Ф4
0
264
127
0
69
40
50
0,26
30
82
135
190
241
Ф5
52
270
0
0,2
0
0
50
0
0
70
130
190
250
Ф6
52
270
223
0,2
23
14
50
0,09
30
82
134
188
242
Ф7
52
270
176
0,2
47
27
50
0,17
30
82
134
192
242
Ф8
52
270
130
0,2
70
41
50
0,26
30
82
135
190
241
Ф9
115
288
0
0,4
0
0
50
0
0
0
135
202
268
Ф10
115
288
238
0,4
25
15
50
0,09
30
0
144
200
259
Ф11
115
288
188
0,4
50
29
50
0,17
30
0
144
202
259
Ф12
115
288
138
0,4
75
43
50
0,26
30
0
146
205
260
Ф13
0
100
0
0
0
0
20
0
0
Штампы армировались фибрами, длина фибры 20 мм, диаметр 0,8 мм, процент армирования по массе составлял µ<sub>fm</sub>=10%
Лабораторная установка изображения на фиг.2б
Ф14
0
100
60
0
20
5
20
0,2
15
Ф15
0
100
60
0
20
12
20
0,2
30
Ф16
0
100
60
0
20
20
20
0,2
45
Ф17
20
102
0
0,2
0
0
20
0
0
Ф18
20
102
62
0,2
20
5
20
0,2
15
Ф19
20
102
62
0,2
20
12
20
0,2
30
Ф20
20
102
62
0,2
20
20
20
0,2
45
Ф21
44
109
0
0,4
0
0
20
0
0
Ф22
44
109
65
0,4
22
6
20
0,2
15
Ф23
44
109
65
0,4
22
13
20
0,2
30
Ф24
44
109
65
0,4
22
22
20
0,2
45
Приложение 2
Сравнительные значения осадки штампов при действии вертикальной нагрузке равной несущей способности основания базового штампаДля штампов с отношением d/D=0 (Ф13 и Ф15)
Центральное нагружение
Значение несущей способности основания базового варианта F<sub>u</sub>=2,4 кН
Осадка штампа, мм
Базового Ф13
S<sub>uz</sub>, 1
6,79
Уменьшение в 1,6 раза
Предлагаемого
S<sub>z</sub>, 2
4,28
Внецентренное нагружение
Значение несущей способности основания базового варианта F<sub>u</sub>=1,5 кН
Осадка штампа, мм
Базового Ф13
S<sub>uz</sub>, 1
2,25
Уменьшение на 23%
Предлагаемого
S<sub>z</sub>, 2
1,73
Для штампов с отношением d/D=0,2 (Ф17 и Ф19)
Центральное нагружение
Значение несущей способности основания базового варианта F<sub>u</sub>=2,4 кН
Осадка штампа, мм
Базового Ф17
S<sub>uz</sub>, 1
11,14
Уменьшение в 3,25 раза
Предлагаемого
S<sub>z</sub>, 2
3,43
Внецентренное нагружение
Значение несущей способности основания базового варианта F<sub>u</sub>=1,8 кН
Осадка штампа, мм
Базового Ф17
S<sub>uz</sub>, 1
2,96
Уменьшение на 13%
Предлагаемого
S<sub>z</sub>, 2
2,57
Приложение 3
Сравнительные значения деформаций штампов Ф21 и Ф23 (d/D=0,4) при нагрузке равной несущей способности основания базового штампа Ф21 при различных условиях нагружения
Вертикальное центральное нагружение
Значение несущей способности основания базового варианта F<sub>u</sub>=3кН
Осадка штампа, мм
Ф21
S<sub>uz</sub>
15,08
Уменьшение в 2,67 раза
Ф23
S<sub>z</sub> ,2
5,64
Вертикальное внецентренное нагружение
Значение несущей способности основания базового варианта F<sub>u</sub>=2,1кН
Осадка штампа, мм
Крен штампа
Ф21
S<sub>uz</sub>
4,745
Уменьшение на 10%
i<sub>u</sub>
0,04762
Практически одинаков
Ф23
S<sub>z</sub>, 2
4,275
i<sub>2</sub>
0,04792
Центральное нагружение (угол наклона силы 7,5°)
Значение несущей способности основания базового варианта F<sub>u</sub>=2,7 кН
Осадка штампа, мм
Крен штампа
Боковое смещение, мм
Ф21
S<sub>uz</sub>
6,75
Уменьшение в 2,81 раза
i<sub>u</sub>
0,005
Увеличение в 1,6 раза
S<sub>uх</sub>
3,49
Ум. в 10 раз.
Ф23
S<sub>z</sub>, 2
2,4
i<sub>2</sub>
0,008
S<sub>x,2</sub>
0,35
Внецентренное нагружение (угол наклона силы 7,5°)
Значение несущей способности основания базового варианта F<sub>u</sub>=1,2 кН
Осадка штампа, мм
Крен штампа
Боковое смещение, мм
Ф21
S<sub>uz</sub>
3,22
Уменьшение в 2,56 раза
i<sub>u</sub>
0,04124
Уменьшение в 1,93 раза
S<sub>uх</sub>
4,28
Ум. в 3 раза
Ф23
S<sub>z,2</sub>
1,26
I<sub>2</sub>
0,02137
S<sub>x,2</sub>
1,43