Результат интеллектуальной деятельности: ФУНДАМЕНТ С ВЫСТУПАМИ ПО ПОДОШВЕ

Изобретение относится к области строительства, а именно для устройства отдельностоящих фундаментов, возводимых на естественном основании при строительстве зданий и сооружений различного назначения.

Известна конструкция отдельностоящего фундамента, который устраивается под колонны и столбы каркасных зданий (Б.А. Ягупов «Строительные конструкции. Основания и фундаменты». - М.: Стройиздат, 1991.С.613).

Наиболее близким к изобретению аналогом является конструкция фундамента под колонну, включающая подколенник, который стыкуется с колонной, и плитную часть, передающую нагрузку на основание (В.А. Веселов «Проектирование оснований и фундаментов». - М.: Стройиздат, 1990, с.134).

Недостатками этих конструкций фундаментов является низкая несущая способность и повышенная материалоемкость.

Технический результат заключается в повышении несущей способности на действие вертикальных и горизонтальных нагрузок и снижении осадки фундамента.

Технический результат достигается тем, что в подошве фундамента выполнены выступы под углом 120°, причем площадь выступов А_выст составляет (0,60-0,90) от общей площади подошвы А, а в центральной части подошвы размещено углубление, заполненное жестким материалом, высотой h, не превышающей значения предельно допустимой осадки S_u для данного типа сооружения.

Изобретение поясняется чертежами:

на фиг.1 изображен фундамент с выступами по подошве в плане;

на фиг.2 показан разрез фундамента 1-1;

на фиг.3 приведен фрагмент экспериментальных исследований фундамента с выступами;

нафиг.4 показаны результаты штамповых испытаний фундаментов в полевых условиях;

на фиг.5 - расчетная схема метода конечных элементов фундамента с выступами;

на фиг.6 приведены графики зависимости осадки от нагрузки S=f(p) для фундамента квадратной формы и фундамента с выступами;

на фиг.7 показан график зависимости осадки фундамента с выступами от отношения площади выступов к площади подошвы фундамента А_выст/А;

на фиг.8 изображены изолинии вертикальных перемещений U_y грунта на глубине 1,0 м от подошвы квадратного фундамента и фундамента с выступами;

на фиг.9 показаны вертикальные перемещения U_y в основании квадратного фундамента и фундамента с выступами (вертикальный разрез);

на фиг.10 приведено распределение зон пластических деформаций в основании квадратного фундамента и фундамента с выступами.

Отдельностоящий фундамент 1 на естественном основании под колонну содержит выступы 2, выполненные под углом 120°. В центральной части подошвы 3 размещено углубление 4, заполненное жестким материалом. После устройства котлована и выравнивания основания 5 устраивается углубление 4 с жестким материалом как элемент фундамента. Затем сверху устанавливается конструкция фундамента 1 с ребрами жесткости 6 на консольных элементах выступов 2 фундаментной конструкции.

В зоне вырезов между смежными гранями выступов 2 фундамента создается арочный эффект 7 в грунте, который приводит к увеличению несущей способности за счет включения в работу большего объема грунта в основании.

Значения изгибающих моментов по подошве фундамента можно уменьшить путем трансформации эпюры контактных давлений. Характер эпюры контактных напряжений можно изменить, разместив углубление в центральной части подошвы, заполненное жестким материалом.

В начальный момент нагрузка, действующая на фундамент с выступами, передается на грунт через углубление, заполненное жестким материалом, на участке меньшей ширины подошвы. По мере возрастания нагрузки на фундамент давление на основание будет равномерно распределяться по всей ширине подошвы фундамента. Таким образом, наличие углубления, заполненного жестким материалом, трансформирует эпюру контактных давлений по подошве, приводит к их концентрации в центральной части подошвы фундамента.

Высота углубления в центре подошвы фундамента должна составлять h≤S_u, где S_u - предельно допустимая осадка для данного типа сооружения, регламентированная нормами и составляющая соответственно S_u=(10÷15) см. При загружении фундамента с выступами с учетом совместной работы с основанием осадка фундамента S не должна превышать значения S_u, то есть должно выполняться условие S≤S_u.

Экспериментальные исследования несущей способности, осадок фундамента с выступами проводились в полевых условиях (фиг.3). Натурные исследования выполнялись с фундаментами одинаковой площадью подошвы (А=5000 см²) в соответствии с ГОСТ 20276-99 «Грунты методы определения характеристик прочности и деформируемости». Ступени нагрузок сообщались гидравлическим домкратом ДГ-50, регистрация величины нагрузки осуществлялись с помощью образцового манометра в 40 МПа с ценой деления ОДОМПа. Наблюдения за перемещениями фундаментами велись по трем индикаторам ИЧ-50 до условной стабилизации, не превышающей 0,1 мм осадки за последний час наблюдений.

В основании фундаментов залегают четвертичные аллювиально-делювиальные отложения, представленные песком средней крупности, средней плотности с е=0,59; γ=18,5 кН/м³; φ=32°; С=2кПа; Е=29,2 МПа. Результаты экспериментальных исследований приведены на фиг.4. При нагрузке Р=175кН (σ=350кПa) осадка фундамента с выступами в 1,67 раза меньше осадки квадратного фундамента одинаковой площади подошвы (А=5000 м²).

Исследование напряженно-деформированного состояния основания фундамента с выступами по подошве произведено методом конечных элементов в упругопластической постановке (фиг.5). Поставленная задача решалась с использованием геотехнического комплекса PLAXIS в пространственной постановке. Прогноз осадок и несущей способности основания выполнен с учетом образования зон предельного равновесия в активной зоне фундамента с выступами. В результате расчетов построены графики зависимости осадки от нагрузки S=f(p) (фиг.6) для квадратного фундамента и фундамента с выступами по подошве (грунт связный). Расчеты показали, что зависимости S=f(P) носят нелинейный характер. Несущая способность фундамента с выступами в 1,136 раза больше несущей способности квадратного фундамента.

Установлено влияние соотношения площадей выступов А_выст/А в фундаменте с выступами по подошве на осадки и несущую способность основания (фиг.7). Наибольший эффект снижения осадки фундамента с выступами достигается при отношении А_выст/А=(0,60-0,90).

Построены изолинии вертикальных и горизонтальных перемещений, вертикальных, горизонтальных и касательных напряжений, зон пластических деформаций в основании квадратного фундамента и фундамента с выступами.

Анализ распределения вертикальных перемещений грунта в основании на глубине 1,0 м от подошвы фундаментов показывает, что ширина зоны деформации в активной зоне фундамента с выступами в 1,2 раза больше, чем для квадратного фундамента (фиг.8).

Установлено, что изолинии вертикальных перемещений в основании квадратного фундамента и фундамента с выступами вытянуты вдоль вертикальной оси (фиг.9). Наибольшие значения вертикальных перемещений расположены в области, примыкающей к подошве фундамента. С глубиной быстрее затухают послойные перемещения для фундамента с выступами, ширина зоны деформации на 20-30% больше, чем у квадратного фундамента. Таким образом, в основании фундамента с выступами в работу включается больший объем грунта, это приводит к увеличению несущей способности и снижению осадок по сравнению с квадратным фундаментом.

Изменение формы подошвы фундаментов сказывается на зарождении и развитии зон пластических деформаций в активной зоне (фиг.10). Зоны пластических деформаций зарождаются в области, примыкающей к подошве при Р=0,05 МПа и с увеличением нагрузки на фундамент развиваются в стороны и вниз.

Использование изобретения позволяет увеличить несущую способность на вертикальную и горизонтальную нагрузку, снизить осадки фундамента, уменьшить материалоемкость возведения фундамента.