На сегодняшний день, вопросы, касающиеся разработки новых конструкций ленточных фундаментов, а также усовершенствование методик их расчета, являются остроактуальными. Сорочан Е.А в своих работах отмечал “совершенствование фундаментов мелкого заложения может проводиться не только путем использования новых методов расчета, но и путем применения новых конструкторских решений.” Одним из направлений совершенствования конструктивных решений является изменение характера передачи нагрузки на грунты основания, что может быть осуществлено в фундаментах с промежуточной подготовкой переменной жесткости в плане [1, 2], с выпуклой подошвой [3], с угловыми вырезами плитах [4] и в прерывистых фундаментах [5], и др.
Опыты с устройством промежуточной подготовки переменной жесткости под ленточным фундаментом [1] и фундаментом под отдельную колонну [2] были проведены в НИИОСП им. Н.М. Герсеванова в лотке размерами в плане 4,0х14,0 м высотой 6,0 м. Модели устанавливались на песчаное основание плотностью 16,8 Н/м3. Осадка фундаментов с подготовкой меньше осадки фундамента на естественном основании на 15-40% в зависимости от величины нагрузки на фундамент (рис. 2 [1]). Измерение напряжений в песчаном основании показало снижение влияния подготовки на нормальные напряжения при увеличении глубины и при глубине 1,5 b практически прекращаются. На основании проведенных опытов разработаны рекомендации по расчету осадки и определению изгибающего момента в расчетном сечении.
Опыты с фундаментами с выпуклой поверхностью опирания [3] проводились при моделировании плоской задачи на основании из мелких песков средней крупности и на тугопластичных суглинках в лотке размерами 1,2х0,42 м в плане и глубиной 1,0 м. Осадка моделей с ростом нагрузки изменялась нелинейно, причем в начале нагружения приращения осадки на каждой ступени больше чем после увеличения площади контакта до наибольшей величины. Полная осадка фундаментов с плоской подошвой на 15-20% меньше, а напряжения под подошвой наоборот меньше на 35-40%. Авторами анализировалось влияние подъема консолей н несущую способность грунта, что в условия моделирования плоской задачи, по-нашему мнению, некорректно.
В лотке размерами в плане 6,0х5,0 м и высотой 5,5 м заполненном песком средней крупности плотностью 16,7 Н/м3 испытывались гибкие модели с угловыми вырезами в плитах и жесткими сплошными штампами прямоугольной формы [4]. Характер распределения контактных напряжений под жесткими штампами аналогичен полученному нами ранее для столбчатых фундаментов [6] и соответствует параболообразной эпюре с концентрацией напряжений по оси фундамента. Способность гибкого железобетонного фундамента с вырезами воспринимать повышенную нагрузку объяснена авторами перераспределением контактных напряжений, но не оценена количественно. Устройство угловых вырезов в плитах приводит концентрации контактных напряжений в центральной части подошвы фундамента и появлению локальных пластических зон. В результате происходит снижение изгибающего момента в расчетном сечении, позволяющее экономить материалы. Использование железобетонных моделей не позволило авторам, вследствие образования трещин и пластической работы арматуры, выделить особенности работы песчаного основания.
Опыты проведенные с ленточными фундаментами с различной величиной раздвижки плит подробно описаны в [4] и, по нашему мнению, корректно описывают возникающий между плитами арочный эффект.
В течении ряда лет в ЮРГПУ (НПИ) ведутся исследования работы песчаного основания под жесткими штампами [7], в том числе различных ленточных фундаментов: сплошных [8, 9], из балочных элементов с геометрически изменяемой формой подошвы [10 - 13], с ломанным очертанием краевой зоны [14 – 19], с поворотом блок-подушек [20, 21] и др. Экспериментальные исследования позволили выявить резервы увеличения несущей способности основания и защитить патентами на полезные модели ряд новых конструктивных решений использующих распределительную способность грунта и арочный эффект [22, 23, 24]. Совместный анализ результатов выявил зависимость несущей способности основания от периметра краевой зоны фундамента [25]. В результате многолетних исследований разработаны новые конструкции ленточных фундаментов [26-30].
Опираясь на вышесказанное авторы статьи изучили экспериментально, ранее не исследованную, конструкцию ленточного фундамента с ломанным очертанием краевой зоны опорных блоков-подушек.
Наши экспериментальные исследования работы фундаментов на песчаном основании были проведены в лаборатории оснований и фундаментов кафедры «ПГСГиФ» ЮРГПУ (НПИ) на испытательной машине МФ-1 конструкции Ю.Н. Мурзенко, которая является центральным звеном автоматизированной системы научных исследований оснований и фундаментов на моделях. Лоток машины МФ-1 размерами в плане 3,0х3,0 м и на глубину 2,2 м заполнен крупнозернистым песком плотностью 17,1 Н/м3. Песок укладывался с послойным трамбованием и контролем плотности иглой плотномером. Нагрузка на модели прикладывалась тремя вертикальными гидравлическими домкратами, позволяющими получить суммарное усилие 1500 кН. Установкой грузов на маятнике выбирался диапазон нагружения каждого домкрата от 0 до 100 кН, при этом единица шкалы силоизмерителя составляла 100 кг. На диаграммном аппарате машины МФ-1 вычерчивался график изменения осадки во всем интервале нагружения. Ручной пульт управления позволял выбирать скорость нагружения модели, а использование микрометрического винта позволяло с высокой точность выдерживать постоянную нагрузку на каждой ступени нагружения для стабилизации осадок основания.
В процессе исследования авторами статьи были произведены две серии испытаний. При выполнении опыта в качестве модели ленточного фундамента были применены пять плит с размерами в плане 420x400мм, выполненных из многослойной фанеры толщиной 18 мм, имитирующие блок-подушки с шириной 2,0 м в масштабе 1:5 (серия опытов №1). В общей сложности протяженность модели составила 2,2 м. Чтобы имитировать краевую зону имеющую ломанное очертание в блок-подушках производились вырезы следующих размеров b x l= 60 x 120мм. (серия опытов №2). Подготовка опытов производилась по одной методике [5] при которой выдержка нагрузки на каждой ступени составляла 15 минут, а сама нагрузка при этом, прикладывалась ступенями по 10 кН. Инструментом измерения осадки выступал прогибомер Аистова 6ПАО, который в свою очередь был закреплен на жесткой траверсе. Нагружение производилось до тех пор, пока не будет достигнута предельная нагрузка, в нашем случае сопровождающаяся потерей устойчивости основания.
Площадь модели первой серии опытов составляла 0,96 м2 и 0,672м2 для второй серии. В результате исследования были получены следующий результаты: предельная нагрузка на сплошную модель ленточного фундамента составила 160 кН при этом осадка достигла 20,2 мм; для модели с вырезами предельная нагрузка дошла до отметки 115 кН при этом осадка составила 17,1 мм.
На начальном этапе нагружения (до давления σ = 250 кПа) графики осадок близки к линейному (рис. 1). Нелинейная стадия графиков осадок начинается при σ> 250 кПа , причем нелинейность возрастает при росте нагрузки вплоть до потери устойчивости основания.
Рис. 1. График зависимости осадки моделей фундамента от нагрузки
1-осредненный график первой серии; 2-осредненный график второй серии
При достижении предельной нагрузки произошла потеря устойчивости основания, которая сопровождалась выпором грунта. В первой серии выпор произошел в форме двух волн, со следующими геометрическими характеристика: x=700 мм., Y=240 мм., Z=480 мм (Рис. 2). В серии опытов №2 выпор произошел на следующем расстоянии от края модели Z=360 мм., Y=220 мм.
Рис. 2. Формы выпора при разрушении песчаного основания для первой и второй серии опытов
Выводы
В результате экспериментов работоспособность и эффективность конструкции с краевой зоной, имеющей ломаное очертание подтверждено. Получены экспериментальные данные о предельной нагрузке на фундаменты, определены осадка и предельное напряжение основания.
Задача дальнейших исследований провести опыты с измерением нормальных напряжений в массиве основания с использованием месдоз конструкции Г.Е. Лакзебника и для сравнения провести опыты с равновеликими по площади фундаментами.
