В практике строительства фундаменты под колонны зданий и сооружений выполняются квадратной и прямоугольной формы [2]. Внедрение в производство более эффективных конструкций фундаментов (трехлучевого, крестообразного очертания) обеспечивает снижение материалоемкости нулевого цикла, сокращение трудозатрат на заводах за счет изготовления прогрессивных конструкций фундаментов непосредственно на строительных площадках [3].
Для исследования напряженно-деформированного состояния оснований фундаментов с различной формой подошвы в полевых условиях была разработана методика выполнения опытов, базирующаяся на научно обоснованных методах проведения эксперимента.
Для проведения экспериментальных исследований использовались металлические модели штампов, имитирующих абсолютно жесткие фундаменты пяти различных форм подошвы в плане (рис. 1). Площадь подошвы каждого фундамента составила А = 5000 см2 = 0,5 м2 [4,5].
Для полевых испытаний штампов использовался инвентарный стенд, состоящий из главной балки (2 двутавра № 40) и 8 винтовых анкерных свай длиной 4,0 м, диаметром лопасти Æ350 мм.
Рис. 1. Формы экспериментальных штампов в плане.
Нагрузка на штамп передавалась при помощи гидравлического домкрата ДГ-50 и фиксировалась образцовым манометром, протарированным совместно с домкратом.
Осадки штампов определялись двумя индикаторами часового типа ИЧ-50 с точностью 0,01 мм. Осадки фундаментов определялись как среднее арифметическое показание приборов. Для измерения перемещений отдельных точек грунтового основания использовались глубинные марки, представляющие собой жесткий конус, соединенный высокопрочной проволокой диаметром Æ0,3 мм с индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм.
В качестве измерителей вертикальных напряжений в контактной области и в активной зоне основания фундамента использовались тензорезисторные преобразователи давления типа ПДМ-70/11. Для обеспечения качественного контакта штампа с грунтом поверхность основания тщательно выравнивалась при помощи отфугованных реек и уровня песчаных подушек толщиной 20 мм.
В качестве регистрирующей аппаратуры для измерения напряжений в основании использовался автоматический электронный измеритель деформаций АИД-4.
Испытания опытных штампов в полевых условиях проводились в соответствии с ГОСТ 20276-2012 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости».
Полевые испытания грунтов штампами с различной формы подошвы проводились на двух опытных площадках в г. Йошкар-Ола.
Опытная площадка № 1 характеризуется наличием в верхней части инженерно-геологического разреза связного грунта (ИГЭ-2 суглинок мягкопластичный с γ=19,2 кН/м3; c=25,0 кПа; φ=19°; Е=17,0 МПа), являющегося качественным однородным связным основанием в пределах изучаемой зоны деформирования.
Опытная площадка № 2 представлена сверху несвязным грунтом (ИГЭ-1 песок средней крупности, средней плотности с γ=18,5 кН/м3; c=3,6 кПа; φ=35°; Е=29,2 МПа) достаточной мощности в пределах предполагаемой зоны деформирования штампов.
По результатам экспериментальных исследований построены графики зависимостей «нагрузка — осадка» S=f(P) для различных форм подошвы фундаментов (рис. 2). Как видно из графиков, для связного основания с достаточной точностью можно считать линейным участок в интервале нагрузок от 0 до 200 кПа, для несвязного – в интервале нагрузок от 0 до 250 кПа.
С дальнейшим ростом нагрузки имеет место плавный перегиб графиков, что свидетельствует о переходе грунта в активной зоне из упругой стадии в упругопластическую.
а) 
б) 
Рис. 2. Зависимости S=f(Р) фундаментов с различной формой подошвы:
(а) – связный грунт; (б) – несвязный грунт; 1 – модель 1; 2 – модель 2; 3 – модель 3; 4 – модель 4; 5 – модель 5
Изменение формы подошвы от квадратной (модель 1) до трехлучевой (модель 3) и крестообразной (модель 4) при Р = 350 кПа приводит к снижению осадок в связном грунте соответственно на 12,8% и на 24,4% (рис. 2.3.2.а).
Для фундаментов с треугольной (модель 2) и восьмиугольной (модель 5) формой подошвы графики S=f(P) практически не отличаются от квадратного фундамента (модель 1).
Из рисунка 2б видно, что осадка трехлучевого (модель 3) и крестообразного (модель 4) фундамента в несвязном грунте при Р = 450 кПа меньше осадки квадратного фундамента (модель 1) соответственно в 1,18 и 1,26 раза.
Проведем анализ перемещений глубинных марок в основании для опытной площадки № 1 (связный грунт – ИГЭ-2 суглинок мягкопластичный) (рис. 3). Для квадратного штампа (модель 1) при Р = 350 кПа перемещения марок М1, М2, М4, М6 по оси фундамента на глубине 0,25b; 0,5b; b; 2b составили 42,0 мм; 37,1 мм; 21,5 мм и 5,1 мм, величина остаточных деформаций соответственно составляет 66,9%; 53,2%; 40,3%; 36,4% (рис. 3б). Исследования показали, что глубинные марки в основании штампов вступают в работу постепенно по мере роста нагрузки на фундамент.
С изменением формы подошвы в плане к трехлучевой (модель 3) перемещения марок в тех же сечениях при Р = 350 кПа составили 36,8 мм; 30,8 мм; 16,8 мм и 4,9 мм (рис. 4б), а для крестообразного штампа (модель 4) соответственно 33,4 мм; 28,9 мм; 16,6 мм и 4,7 мм (рис. 5б).
При разгрузке величина остаточных деформаций составила для трехлучевого (модель 3) и крестообразного (модель 4) фундаментов соответственно 59,9%; 47,0%; 36,5%; 31,6% и 57,7%; 48,1%; 34,8%; 31,4%. Для марок М7, М8 на глубине 2,5b и 3,0b зафиксированы только упругие деформации.
Из графиков видно, что наибольшие относительные деформации ez для квадратного фундамента (модель 1) при Р = 350 кПа наблюдаются на глубине (0,7–0,8)b и составляют 0,048 (рис. 3г). Для трехлучевого (модель 3) и крестообразного (модель 4) фундамента наибольшие относительные деформации ez зафиксированы на глубине 0,625b и соответственно составляют 0,043 и 0,036 (рис. 4г, 5г).
Установлено, что для квадратного штампа (модель 1) нижняя граница зоны деформаций при Р = 350 кПа находится на глубине 1,6b, ширина зоны деформаций составляет 1,3b (рис. 3д). Результаты исследований свидетельствуют, что для трехлучевого штампа (модель 3) и крестообразного штампа (модель 4) при Р = 350 кПа нижняя граница зоны деформаций находится на глубине 1,6b и 1,65b (рис. 4д, 5д). Ширина зоны деформаций для трехлучевого и крестообразного фундамента составляет 1,72b и 1,61b.
Из приведенных данных видно, что при взаимодействии трехлучевого (модель 3) и крестообразного (модель 4) фундамента с основанием в работу включается больший объем грунта, создается «арочный эффект» между выступами штампа, что приводит к снижению осадки и повышению несущей способности фундамента. Результаты экспериментальных исследований согласуются с опытами проф. Е.А. Сорочана [6].
При рассмотрении контактных напряжений в плоскости подошвы квадратного штампа (модель 1) можно обнаружить, что с ростом нагрузки форма эпюры контактных напряжений изменяется от прямоугольной к седлообразной с увеличением ординат σz к краям. Эпюра вертикальных напряжений σz имеет максимум до глубины 0,5b, наибольшие значения напряжений σz при Р=350 кПа составляют 314 кПа. Максимальные напряжения σz при Р=350 кПа возникают в области, примыкающей к подошве фундаментов, и достигают значений 287 кПа (трехлучевой штамп) и 282 кПа (крестообразный штамп).
а) 
Зависимость S=f(P) для квадратного штампа (связный грунт)
б) 
Вертикальные перемещения глубинных марок в основании
а) 
Послойные перемещения грунта в основании квадратного штампа
б) 
Относительные деформации ez грунта в основании квадратного штампа
д) 
Изолинии вертикальных перемещений (мм) в основании с ростом нагрузки на квадратный штамп
Рис. 3. Деформированное состояние квадратного фундамента (модель 1)
а) 
Зависимость S=f(P) для трехлучевого штампа (связный грунт)
б) 
Вертикальные перемещения глубинных марок в основании
в) 
Послойные перемещения грунта в основании трехлучевого штампа
г) 
Относительные деформации ez грунта в основании трехлучевого штампа
д) 
Изолинии вертикальных перемещений (мм) в основании с ростом нагрузки на трехлучевой штамп
Рис. 4. Деформированное состояние трехлучевого фундамента (модель 3)
а) 
Зависимость S=f(P) для крестообразного штампа (связный грунт)
б) 
Вертикальные перемещения глубинных марок в основании
в) 
Послойные перемещения грунта в основании крестообразного штампа
г) 
Относительные деформации ez грунта в основании крестообразного штампа
д) 
Изолинии вертикальных перемещений (мм) в основании с ростом нагрузки на крестообразный штамп
Рис. 5. Деформированное состояние крестообразного фундамента (модель 4)
С изменением формы подошвы от квадратной до трехлучевой и крестообразной происходит более быстрое затухание напряжений sz с глубиной в активной зоне. Установлено, что контактные напряжения sz имеют минимальные значения под центром подошвы фундаментов и концентрацию значений напряжений по краям.
Таким образом, использование эффективных конструкций фундаментов с трехлучевой крестообразной формой подошвы позволяет включить в работу больший объем грунта в основании, перераспределить контактные напряжения по подошве фундамента и качественно улучшить совместную работу с основанием.
Рецензенты:
Поздеев А.Г., д.т.н., профессор кафедры строительных конструкций и водоснабжения ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола;
Салихов М.Г., д.т.н., профессор кафедры строительных материалов и автомобильных дорог ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола.