В некоторых литературных источниках и исследовательских работах [3-5; 7; 8] указывается на возможность существенного изменения НДС системы «фундамент-основание» путем управления распределением контактных давлений по подошве фундамента.
Так, например в [7] указывается, что, вводя эластичные вкладыши или неравнопрочную подготовку, возможно перераспределить контактные напряжения под подошвой таким образом, чтобы добиться уменьшения изгибающих моментов в теле фундамента, тем самым снижая расход строительных материалов.
В источниках [3-5] в свою очередь предлагается «концентрировать» давления на основание на узких лентах, расположенных вдоль силовых осей, догружая основание в пролетной части некоторой гибкой конструкцией, например криволинейной оболочкой. В данном случае позитивный эффект достигается за счет уменьшения глубины активной зоны под узкими ребрами относительно сплошного фундамента, а также повышения прочностных свойств грунта при догружении пролетной части. Строго говоря, данная статья есть результат развития идей, изложенных в указанных выше источниках.
Рассмотрим следующую плоскую задачу. Однородное грунтовое основание, сложенное глинистым грунтом, загружено равномерной нагрузкой. Сравним НДС основания при различных вариантах перераспределения нагрузки между ребрами и пролетной частью. При этом суммарная нагрузка на основание остается величиной постоянной. Расчетная схема и характеристики грунтов основания приведены на рис. 1.
Рис. 1. Расчетная схема задачи
На основании исходных данных в ПК Plaxis 8.2 была составлена конечноэлементная модель и выполнено ее решение. На рис. 2. приведены результаты расчета в виде деформированных схем основания для каждого варианта загружения.
а) 
б) 
в) 
г) 
Рис. 2. Характер деформаций основания при нагружении:
а) Н-1; б) Н-2; в) Н-3; г) Н-4
Очевидно, что при распределении нагрузки по варианту Н-2 осадка под подошвой штампа носит практически прямолинейный характер, что, несомненно, является положительной характеристикой работы фундамента. Некоторые другие результаты расчета приведены в таблице 1.
Таблица 1
|
|
Н-1 |
Н-2 |
Н-3 |
Н-4 |
|
Осадка максимальная, Smax, мм |
50 |
44 |
51 |
65 |
|
Осадка центра, Sц, мм |
50 |
44 |
39 |
33 |
|
Осадка ребра, Sр, мм |
39 |
44 |
51 |
65 |
|
Относительная разность осадок,
|
0,22 |
0 |
0,24 |
0,49 |
|
Глубина зон пластических деформаций, z, м |
0 |
1,4 |
2,2 |
2,6 |
На рис. 3 изображены графики зависимости максимальных деформаций и глубины распространения зон пластичности от величины нагрузки под ребрами штампа.
Рис. 3. Графики зависимости от нагрузки под ребрами:
а) максимальных деформаций; б) глубины развития зон пластических деформаций
Анализируя приведенные выше данные, можно сделать вывод, что минимальные значения осадок, а также наибольшая их равномерность соответствует такому давлению на грунт под ребрами, при котором глубина распространения зон пластичности составляет примерно ¼ ширины штампа, т.е. внешняя нагрузка равняется расчетному сопротивлению грунта R. Это позволяет использовать для решения подобных задач математический аппарат теории упругости.
По графикам можно судить о том, что зависимость S и Hсж от перераспределения внешних нагрузок по подошве носит очевидный функциональный характер. Таким образом, с достаточно высокой точностью можно управлять НДС основания в зависимости от геометрических размеров фундамента, его жесткости, параметров нагружения, механических характеристик грунта, т.е. получить аналитическое решение для общей задачи. Как следствие, возможно математическое исследование этих функций и решение оптимизационной задачи для частных условий.
Распределяя давление по подошве гибкого фундамента подобно эпюре контактных давлений жесткого штампа, можно добиться большей равномерности осадок по ширине фундамента [1].
Для юга Тюменской области одной из характерных схем грунтовых условий является наличие в зоне, близкой к дневной поверхности, твердых и полутвердых глинистых грунтов, обладающих достаточно высокими механическими характеристиками, и подстилающих их слабых текучих и текучепластичных глин и суглинков. При таком напластовании грунтов основания желательно придерживаться конструкции фундамента, обеспечивающей локализацию дополнительных напряжений в более плотных слоях. В качестве иллюстрации к этому тезису приведем графики распределения нормальных вертикальных напряжений по глубине для центральной оси штампа и для оси ребра при различных вариантах загружения представленной выше задачи.
а)
б) 
Рис. 4. Распределение вертикальных нормальных напряжений:
а) под центром фундамента; б) под ребром фундамента
Как видно из графиков, напряжения под узким ребром практически совпадают при глубине более трех метров. В то же время площадь эпюры напряжений по центральной оси пролетной части существенно уменьшается для различных нагружений, а от ее значения зависит величина конечной осадки. Таким образом, целесообразно сосредотачивать нагрузку по узким полосам, что приведет к концентрации напряжений в более прочных верхних слоях и разгружению слабых подстилающих слоев.
Практическим доказательством объективности выводов, основанных на анализе рассмотренного выше примера, могут служить результаты опубликованных экспериментальных исследований. В ходе натурного эксперимента, представленного в [2], исследовались ленточные фундаменты, объединенные цилиндрической оболочкой, а также плоские штампы, схема которых представлена на рис. 5. Основание представляет собой напластование ПГГ с модулем деформации от 3 до 7 МПа
Рис. 5. Схема экспериментальных штампов
На рис. 6 представлены график «осадка-нагрузка» отдельно для ребер и центра оболочки, а также график для плоского штампа аналогичных геометрических размеров.
Рис. 6. Графики «осадка-нагрузка» для фундамента постоянной и переменной жесткости
Как видно, при нагрузке до 90 кПа графики осадок плоского штампа и ребер ленточного фундамента практически совпадают. При давлениях до 120 кПа, ввиду развития пластических деформаций основания, осадка плоского штампа носит выраженный нелинейный характер. В то же время график осадок ребристого остается прямолинейным, и лишь при большем давлении происходит увеличение приращения деформаций. При нагрузке 140 кПа осадка плоского штампа превышает осадку ребристого на 33%, что свидетельствует о целесообразности неравномерного нагружения. В то же время осадка центра цилиндрической оболочки меньше осадки ребер на 22%, значит, можно судить о достаточной ее податливости при работе на грунтовом основании.
Относительно приведенных экспериментальных данных о работе фундаментов переменной жесткости, подробно рассмотренных в работах [2-5], можно сделать следующие выводы.
1. Функция распределения контактных давлений существенно влияет на НДС основания. Заданным неравномерным нагружением основания можно добиться уменьшения абсолютных значений максимальных осадок до 12% и более, особенно при залегании более плотных грунтов в верхней части сжимаемой толщи, и практически исключить неравномерность осадки. Следствием чего является также отсутствие перераспределения усилий в надземных конструкциях.
2. Для достижения заданного распределения контактных давлений на основание необходимо создание фундаментов, обладающих свойством управляемого взаимодействия с грунтовым основанием, чего можно добиться определенными конструктивными и технологическими приемами.
Таким образом, идея о контролируемом взаимодействии системы «фундамент - грунтовое основание» нуждается в дальнейшем развитии и совершенствовании методик ее применения.
Рецензенты:
Чикишев В.М., д.т.н., профессор, ректор ФГБОУ ВПО «ТюмГАСУ», г. Тюмень.
Миронов В.В., д.т.н., профессор кафедры ВиВ ФГБОУ ВПО «ТюмГАСУ», г. Тюмень.