Кольцевой фундамент под сооружения башенного типа на клиновидных основаниях

 

Изобретение относится к области строительства, а именно к кольцевым фундаментам под сооружения башенного типа, возводимым на неравномерно снимаемых основаниях. Технический результат изобретения заключается в создании конструкции фундамента под сооружения башенного типа, дающего равномерную осадку сооружения от действия вертикальной нагрузки, равномерную податливость основания в отношении знакопеременной моментной нагрузки и позволяющего применять на практике традиционные способы его устройства. Кольцевой фундамент под сооружения башенного типа на клиновидных основаниях выполнен в виде круглой плиты с отверстием, геометрические параметры которого зависят от угла наклона жесткого подстилающего слоя, расстояния до ребра клина, ширины кольца фундамента, упругих свойств основания. Центральное отверстие плиты выполнено в форме срезанного круга, причем срезающая его хорда отстоит от внутренней окружности на расстоянии D, соответствующем стреле отсекаемого сегмента в направлении увеличения толщины основания и определяемом по приведенной зависимости. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области строительства, в частности к кольцевым фундаментам под сооружения башенного типа, возводимых на неравномерно сжимаемых основаниях.

Известен фундамент на основании в виде слоя переменной толщины, плита которого имеет в плане форму круга /см. Алейников С.М., Иконин С.В., Контактная задача с управляющими параметрами для жесткого штампа на упругом слое переменной толщины. Основания, фундаменты и механика грунтов, 1994, N 3, с. 2-5/.

Недостатком этого фундамента является его высокая материалоемкость, так как из-за неравномерной в плане сжимаемости основания необходимо существенно увеличивать размеры плиты фундамента.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к предложенному изобретению является кольцевой фундамент с эксцентрично расположенным внутренним отверстием /см. RU 2043462, 10.09.95/. Значение эксцентриситета ε_o, на который внутреннее отверстие необходимо сместить относительно центра плиты, определяется в зависимости от угла упругосжимаемого клина, расстояния центра фундамента до ребра клина, геометрических размеров подошвы фундамента и деформационных характеристик основания.

Недостатком этого решения является сложность и трудоемкость возведения фундамента в условиях строгого соблюдения величины смещения внутреннего отверстия ε_o ; невозможность использования стандартных симметричных фундаментов кольцевой формы, традиционно применяемых при строительстве сооружений башенного типа.

Целью изобретения является создание конструкции фундамента под сооружения башенного типа, дающего равномерную осадку сооружения от действия вертикальной нагрузки, равномерную податливостью основания в отношении знакопеременной моментной нагрузки и одновременно позволяющего применять на практике традиционные способы его устройства, а также использовать стандартные симметричные фундаменты кольцевой формы с учетом незначительной конструктивной доработки.

Поставленная цель достигается тем, что в кольцевом фундаменте под сооружения башенного типа в виде круглой в плане плиты выполнено отверстие, геометрические параметры которого зависят от угла наклона жесткого подстилающего слоя, расстояния центра фундамента до ребра клина, геометрических размеров фундамента и упругих свойств клиновидного основания.

Отличительными от прототипа признаками является то, что центральное отверстие плиты выполнено в форме срезанного круга. При этом хорда отстоит отокружности срезаемой в виде сегмента части круга на расстоянии D,соответствующем стреле сегмента, направленной в сторону увеличениятолщины основания. Величина D определяется из совместного решения уравнений равновесия и интегрального уравнения пространственной контактной задачи механики грунтов где - осадка поверхности грунта в точке (x,y) от вертикальной сосредоточенной силы, действующей в точке (ρ,ϕ); r₁, r₂ - меньший и больший радиусы кольцевой области контакта фундамента с грунтом; - равномерная осадка фундамента; p(r,ϕ) - контактное давление по подошве фундамента в полярной системе координат, Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен вид предлагаемого кольцевого фундамента в плане, на фиг. 2 - вид фундамента в разрезе.

Кольцевой фундамент состоит из круглой в плане плиты 1 с центральным отверстием 2. Центральное отверстие 2 плиты 1 выполнено в виде срезанного хордой 3 круга. При этом срезаемая часть круга 2 замоноличена совместно с кольцевой плитой 1 и выполнена в виде сегмента. Хорда 3 отстоит от окружности срезаемой части круга на расстоянии D, соответствующем стреле сегмента, направленной в сторону увеличения сжимаемой толщи основания.

С увеличением стрелы сегмента D, характеризующей величину среза внутреннего круга, для такого фундамента будет увеличиваться концентрация давлений под краем плиты, где сжимаемая толщина основания наименьшая и наоборот, с противоположной стороны плиты давление на грунт будет уменьшаться. В результате этого крен фундамента, вызываемый равнодействующей вертикальных нагрузок, с ростом D будет уменьшаться и при определенных значениях D даже может изменить свой знак на противоположный.

Используем интегральное уравнение контактной задачи для жесткого штампа, расположенного на упругом основании /Алейников С.М., Иконин С.В. Контактная задача с управляющими параметрами для жесткого штампа на упругом слое переменной толщины. Основания, фундаменты и механики грунтов, 1994 N 3, с. 2-5, Соломин В.И., Шматков С.Б., Методы расчета и оптимальное проектирование железобетонных фундаментных конструкций, М., Стройиздат, 1986, с. 208/ где W_c - осадка основания в точке приложения равнодействующей внешней нагрузки (x_c, y_c); p(ζ,η) - контактное давление в точке (ζ,η) области контакта F фундамента с основанием; K(x,y,ζ,η) - осадка поверхности основания в точке (ζ,η) от действия вертикальной единичной сосредоточенной силы, приложенной к основанию в точке (x,y); Ψ_x и Ψ_y - крены фундаментной плиты вокруг осей OY и OX.

К уравнению (1) необходимо присоединить уравнения равновесия, которым должны удовлетворять контактные давления p(ζ,η)

где P - равнодействующая вертикальных нагрузок; M_x и M_y - составляющие моментной нагрузки относительно осей OX и OY соответственно.

Условия вертикального поступательного перемещения фундамента (т.е. перемещения без крена) имеет вид
Ψ_x и Ψ_y= 0 (3)
При заданном параметре D осадка W_c, крены Ψ_x и Ψ_y и контактные напряжения p(x, y) находятся из совместного решения уравнения (1) и условий (2) методом граничных элементов /см. Бреббия К., Теллес Ж., Вроубел Л., Метод граничных элементов, Москва, Мир, 1987, с. 524/ с помощью численных расчетов на ЭВМ. При этом в условиях (2) полагают M_y=M_x = 0. Путем варьирования параметра D находится его оптимальное значение D_*, соответствующее выполнению условия (3).

В рассматриваемом нами случае область контакта имеет две круговые и одну прямолинейную граничные линии (фиг. 1). Подставляя в явном виде пределы интегрирования в полярной системе координат (полюс находится в центре концентрических окружностей) и принимая во внимание основное условие задачи (соответствующее вертикальному поступательному перемещению фундамента без крена), уравнение (1) представим в следующем подробном виде

где

Ископаемый параметр D, осадка и контактные напряжения p(ρ,ϕ) находятся из совместного решения уравнения (4) и условий равновесия (2) с помощью численных расчетов на ЭВМ.

Подобранные размеры подошвы фундамента в виде кольца с внутренним срезанным кругом используют при определении кренов фундаментной плиты, вызываемых знакопеременными моментными нагрузками M_y и M_x. Для этого численно решают уравнение (1) совместно с условиями (2) уже при оптимальном значении D=D_*, найденным ранее.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

Пусть отношение радиусов внутреннего и внешнего кольца r₁/r₂ =0,6; коэффициент Пуассона грунта ν = 0,25; угол наклона жесткого подстилающего слоя α = 30° ; модуль деформации грунта E=10 МПа; равнодействующая вертикальной нагрузки P=1000 кН.

На фиг. 3 отражены результаты расчетов характеристик контактного взаимодействия с упругим слоем переменной толщины для центрально нагруженного фундамента с внутренним срезанным кругом на величины D= 0,19 r₂. Как видно из расчетной зависимости, по мере удаления от ребра клина на величину L= x_c/r₂ крен фундамента быстро уменьшается, обращаясь в нуль, а затем изменяет свой знак и увеличивается по абсолютной величине. Интерполяция значений Ψ_x/ по промежуточным значениям приводят к оптимальному решению (3), которому соответствует значение x_c/r₂= 7,846. Равномерная осадка фундаментов плиты составляет при этом
Таким образом, кольцевой фундамент (r₁/r₂ = 0,6), расположенный на удалении L = x_c/r₂=7,846 от ребра сжимаемого клина, под действием вертикальной нагрузки будет равномерно (Ψ_x= Ψ_y= 0) оседать на клиновидном основании, если его подошва будет иметь срез внутреннего круга на величину D_*=0,19 r₂.

Важной особенностью предлагаемой конструкции фундамента является то, что величина крена плиты фундамента зависит только от абсолютного значения моментной нагрузки /М/, и не зависит от ее направления (табл. 1 см. в конце описания).

Значения параметров, при которых выполнены расчеты в табл. 1, были приняты в соответствии с предыдущим расчетом следующими:
x_c/r₂= 7,846; D/r₂ = 0,19; остальные параметры α, E ν, P и r₁/r₂ те же, что были использованы ранее.

Расчетные значения кренов, приведенные в табл. 1, подтверждают, что использование кольцевой фундаментной плиты с внутренним кругом, срезанным в сторону от ребра клиновидного основания на расчетную величину D_* = 0,19 r₂, обеспечивает равную податливость неравномерно сжимаемого основания как в отношении вертикальной нагрузки, так и в отношении знакопеременной моментной нагрузки.

Таким образом, предлагаемая конструкция кольцевой фундаментной плиты с внутренним срезанным кругом обеспечивает:
- равномерность осадки сооружения на клиновидном основании от действия вертикальной нагрузки;
- равную податливость основания в отношении знакопеременной моментной нагрузки;
- существенную экономию железобетона на изготовление фундамента (до 1,5 раз) по сравнению с традиционными симметричными конструкциями фундаментов кольцевой формы, т.к. использование последних сопряжено с увеличением размеров для ограничения кренов;
- возможность применения традиционных симметричных кольцевых фундаментных плит с минимальными конструктивными изменениями;
- значительные преимущества в технологии возведения и большую простоту расчета по сравнению с прототипом (эксцентричным кольцевым фундаментом);
- устранение крена сооружений, возводимых и на однородных основаниях, но подверженных влиянию моментных нагрузок, постоянно действующих в заданном направлении;
- предотвращение превышений критических значений кренов при реконструкции и усилении традиционных кольцевых фундаментов за счет незначительных конструктивных изменений.

Формула изобретения

Кольцевой фундамент под сооружения башенного типа на клиновидных основаниях в виде круглой в плане плиты с отверстием, геометрические параметры которого зависят от угла наклона жесткого подстилающего слоя, расстояния до ребра клина, ширины кольца фундамента, упругих свойств основания, отличающийся тем, что центральное отверстие плиты выполнено в форме срезанного круга, при этом срезающая его хорда отстоит от внутренней окружности на расстоянии D, соответствующем стреле отсекаемого сегмента в направлении увеличения толщины основания и определяемом из совместного решения уравнений равновесия и уравнения

где осадка поверхности грунта в точке (x, y) от вертикальной сосредоточенной силы, действующей в точке (ρ,ϕ);
r, r₂ - меньший и больший радиусы кольцевой области контакта фундамента с грунтом;
- равномерная осадка фундамента;
p(r,ϕ) - контактное давление по подошве фундамента в полярной системе координат;

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4