Колонны под фундамент: Фундаменты под колонны сечением 300х300, 400х400 и 500х500 мм Волгоград

Разное / 29.09.1983 / alexxlab / 0

Фундаменты под колонны сечением 300х300, 400х400 и 500х500 мм Волгоград

Стаканного типа ГОСТ 24476-80 (серия 1.020)

  Как выглядит стакан?
В сборный фундамент входят:

1. основание (квадратная плита), которое в народе называют «подошвой», а всю конструкцию — «башмаком»
2. подколонник (стакан)

Фундаменты железобетонные сборные стаканного типа с сечением 300х300, 400х400 и 500х500 мм под колонны соответствующих сечений ГОСТ 24022-80

Фундаменты железобетонные сборные стаканного типа с сечением 300х300, 400х400 и 500х500 мм под колонны соответствующих сечений ГОСТ 24476: 

При производстве сборных фундаментов  используется тяжелый бетон М-200 и М-300. Для того чтобы фундамент выдерживал высокие нагрузки его упрочнение достигается пространственными каркасами и сетками, выполненными из высокопрочной стали А-I, A-III и проволоки Вр-I

Достоинства фундамента стаканного типа

1. высокое качество (изготовление в заводских условиях с применением тяжелого бетона высоких марок и высокачественной стали)
2. простота монтажа

Монтаж пошагово.

1. Подготовка поверхности, грунт необходимо выровнять, если площадка неровная, необходимо сделать подушку из песка или щебня и тщательно утрамбовать
2. При проведении разметки осей такого основания на обноске закрепляют проволоку и протягивают ее в направлении буквенных и перпендикулярно находящихся к ним цифровых осей. На их пересечениях подвешивают отвес, далее центр фундамента переносят на подготовленное основание.
3. Проводят нанесение контуров по шаблону и обозначают их колышками. После выполнения подготовительных работ выкапывают ямы в соответствующих местах и уплотняют их дно песком и щебнем.
4. Установка стаканного основания при помощи подъемного крана. При их укладке необходима точность. Все элементы и поверхность должны быть горизонтальными. Для проверки используют строительный уровень или нивелир.
5. Размещение колонны (требуется подъемный кран) и ее фиксация в «башмаке». Во время установки «башмака» следует следить, чтобы оси на подошве и стакане совпадали с разбивочными осями.

Фундаменты под колонны: устройство, монтаж, особенности

В современном строительстве жилых и коммерческих зданий, мостов и иных сооружений часто в качестве основных несущих основную нагрузку элементов выступают колонны. Различные по способу производства и своим характеристикам, эти элементы зданий служат основой каркаса, на который устанавливаются все остальные конструкции здания. Вместе с тем для надежной, прочной, но главное правильной конструкции всего сооружения, колонны должны быть установлены с минимальными отклонениями от расчетных величин проекта. Именно поэтому в процессе расчета проекта и практической его реализации много внимания уделяется устройству фундаментов.

Основой строительства любой капитальной постройки сегодня, независимо от того какое планируется его дальнейшее применение, является фундамент, тип и особенности которого зависят в первую очередь от типа грунтов на участке и той нагрузки, которая будет передаваться на него от остальных элементов здания.

Для устройства основания под такие специфические строительные элементы, как колонны в отличие от остальных видов конструкций применяются фундаменты, способные не только выдержать вес колон и остальных частей здания, но и обеспечить необходимую проектом заданную вертикаль.

Для выполнения этих задач в современных технологиях применяются два основных варианта устройства фундамента под колонные конструкции:

• монолитные основания;
• сборные фундаменты.

Виды фундаментов под колонны: слева — монолитный, справа — сборный

Оба варианта в основе своей имеют схожую конструкцию, выполненную из армированного железобетона. Такое исполнение позволяет надежно зафиксировать нижние точки опор в соответствующем положении. Отличие заключается в том, что каждый вид имеет свое направление применения:

• монолитные фундаменты более универсальны и могут использоваться как под железобетонные колонны, независимо от формы, так и под стальные или металлические;
• составные или сборные основания используются в основном под бетонные колонны.

Для обеспечения соединения колонн и фундаментов в одно целое, применяются два основных вида соединения:

• для железобетонных конструкций применяются метод вставки основания колонны в специально созданное углубление с последующей его фиксацией заливкой бетоном;
• для стальных элементов предусматривается соединения с помощью болтов. Такая конструкция, когда в фундаментном блоке заранее установлены болты под отверстия в основании колонны обеспечивает наиболее удобное соединение.

к оглавлению ↑

Расчет фундаментов под колонны

Отправными данными для расчета фундамента под одну колонну здания являются:

• масса непосредственно самой колонны;
• масса перекрытия;
• масса стеновых материалов;
• масса конструкций здания, опирающихся на колонны.

Вычисление давления, которое воздействует на одну опору, проводится с использованием расчета площади опоры непосредственно самой колонны. Так, при размерах опоры 50*50 см. искомая площадь будет составлять 2500 кв. см. Далее проводится суммирование всех масс здания и деления полученного результата на площадь одной опоры.

Для расчета количества самих колон, требуются данные о свойствах грунта, глубине грунтовых вод, их насыщенности, при этом как показывает практика, количество опор рассчитывается с запасом не менее 50% запаса по прочности на каждую из колонн. При получении меньшего результата, как правило, увеличивают количество точек опор.

к оглавлению ↑

Устройства фундамента под железобетонные колонны

Монолитные и сборные основания под колонны предусматривают в своей конструкции специальную форму, в которую устанавливается железобетонная колонна. По сути это железобетонная форма, получившая в строительстве название «стакан».

Фундамент стаканного типа

Непосредственно сами фундаменты под железобетонные колонны могут быть представлены в двух основных вариантах конструкции:

• в монолитном исполнении;
• сборные конструкции.

Основой такой конструкции является прямоугольная плита, на которой располагаются другие меньшие плиты, образуя, таким образом, пирамиду в виде ступеней с венчающем ее вверху стаканом под опору. В монолитном исполнении все основание является одним целым, а вот сборная конструкция является чем-то вроде детской пирамидки – снизу самая большая плита, а далее плиты поменьше.

к оглавлению ↑

В качестве фундамента под металлические колонны используются в основном монолитные железобетонные основания. Каркасом такого монолита является армированная конструкция, вверху которой в определенном порядке в соответствии с размерами подошвы стальной колонны установлены анкерные болты.

Технология изготовления такого фундамента ничем не отличается от заливки монолитного фундамента для железобетонных опор, с той поправкой, что вместо стакана устанавливаются с помощью кондуктора анкерные болты.

Еще одной особенностью таких основания является точность разметки всех линий и точек установки болтов.

к оглавлению ↑

Монолитный фундамент под колонны

Монолитные основания, выливаемые одним монолитным сооружением, имеют грани ступеней под углом 90 градусов. Такие фундаменты в основном оборудуются непосредственно на строительной площадке сооружения. Для заливки на дне котлована на заранее оборудованном и подготовленном месте проводится разметка осей будущих колонн. Под каждое основание сооружается опалубка либо собирается съемная конструкция опалубки, использование которой значительно упрощает работу, поскольку не требуют дополнительных затрат на проверку правильности установки.

Для опалубки, согласно, технологических карт, проводится установка положения, как по вертикали, так и по горизонтали. Последним этапом проверки перед заливкой бетоном монолитного основания является проверка на соответствие правильности размещения по монтажным осям. После установки опалубки нижних ярусов, проводится проверка и установка подколонника (стакана).

При заливке основания под сложную форму железобетонной колонны используется усиление каркаса металлической сеткой или сварным арматурным каркасом. Для установки на легких грунтах, сложных почвах, там, где требуется повышенная прочность под фундаментом возможно устройство дополнительной площадки или устройство свайного фундамента, обеспечивающего большую прочность.

к оглавлению ↑

Анкерные соединения для устойчивости колонны

Сборные металлические колонны соединяются с фундаментным основанием при помощи анкерных болтов. Сами болты для крепления колонн устанавливаются в тело фундамента в процессе его заливки. Для закладки анкеров используются стандартные кондуктора, позволяющие установить болты с максимальной точностью. Согласно нормам и правилам погрешностью в установке анкерных болтов в основание является отклонение от заданного положения не более чем 2 мм в ту или иную сторону.

Сборные металлические колонны

При промышленном изготовлении основания допускается отклонение одного из креплений, но не более чем на 5 мм. При этом все остальные анкера должны на 100% соответствовать стандарту.

В любом случае разметка и установка фундаментных блоков под стальные колонны проводится с помощью теодолита, по оси установки анкерных болтов.

к оглавлению ↑

Кондуктор-шаблон для анкерных соединений

При заливке бетонного основания под металлические колонны используют специальный кондуктор, с помощью которого контролируется глубина и высота установки анкерных болтов. По сути, это своего рода шаблон для установки анкеров. Чаще всего изготовление кондуктора проводится из металла, на верхней поверхности которого нанесены риски для совмещения с осями и последующей проверке правильности установки с помощью теодолита. Отверстия для крепления болтов делаются в соответствии с диаметром анкеров.

Перед заливкой бетоном болты привариваются к арматурному каркасу основания, а после заливки бетоном, до того момента как он наберет свою техническую твердость проводится проверка правильности расположения болтов. Следующим этапом проводится контроль жесткости опалубки и анкеров. В завершении данной контрольной операции проверяется высотно-плановый показатель расположения.

Кондуктор-шаблон для анкерных соединений

Под тяжелые стальные конструкции используются тяжелые или усиленные варианты анкерных болтов. Размеры как диаметра болта, так его длины и шага резьбы существенно отличаются от легких анкерных соединений. Установка усиленных тяжелых болтов проводится с помощью шаблонов, в нужном положении до заливки основания бетоном. Для большей фиксации таких шаблонов используют дополнительную фиксацию каркасными стойками, придающих конструкции более жесткий вид.

После заливки бетоном, шаблоны анкерных болтов убираются, при этом, как правило, каркас остается на месте установки. При проведении этого этапа работ особое внимание уделяется правильному расположению болтов, обязательно контролируются буквально все параметры – высота, глубина вертикальность установки. Это один из самых трудоемких процессов, но от него зависит насколько верно проведено установка фундамента. Для облегчения работ на этом этапе используется несколько эталонных шаблонов-кондукторов. Сваренный из металлического швеллера или иного металлического профиля большой толщины с нанесенными координатами осей он должен обладать большой массой и жесткостью. В намеченных местах просверливаются отверстия под диаметр анкерных болтов. Для легких болтов, как правило, используется обычный деревянный брус.

Перед установкой болтов проверяется правильность установки кондуктора. Он совмещается по осям координат, а по высоте устанавливается согласно меток, на стойках каркаса.

к оглавлению ↑

Отдельные фундаменты под колонны

Для проектирования и строительства отдельных фундаментов чаще всего независимо от типа почвы, на которой они планируются располагаться, выбираются сборные или монолитные фундаменты. Основанием является плита или несколько плит с дальнейшим расположением на ней ступенчатой конструкции. На особо ответственных участках площадь основания увеличивают, и дополнительно усиливают сварной решеткой из арматуры. В зданиях, где отдельные фундаменты под колонны планируется размещать в центре постройки для обеспечения больших нагрузок, площадь подошвы делают увеличенной, на дополнительно залитой монолитной площадке.

к оглавлению ↑

Заключение

В любом случае колонна должна иметь жесткое, твердое и правильно установленное основание. И хотя в большинстве случаев закладка фундамента проводится индивидуально для каждого сооружения, и в этом деле как кажется на первый взгляд, нет ничего особенного, однако привлечение специалиста, также, как и использование проектной документации, позволит существенно сократить объемы работ и избежать при этом серьезных ошибок.

4.3.3 Отдельные фундаменты под колонны ч.1

Основным типом фундаментов, устраиваемых под колонны, являются монолитные железобетонные фундаменты, включающие плитную часть ступенчатой формы и подколонник. Сопряжение сборных колонн с фундаментом осуществляется с помощью стакана (см. рис. 4.1, а), монолитных — соединением арматуры колонн с выпусками из фундамента (рис. 4.8, а), стальных — креплением башмака колонны к анкерным болтам, забетонированным в фундаменте (рис. 4.8, б).

Рис. 4.8. Соединение колонн с фундаментом

а — монолитной; б — стальной; 1 — арматурные сетки; 2 — анкерные болты

Размеры в плане подошвы (b, l), ступеней (b₁, l₁), подколонника (l_uc, b_uc) принимаются кратными 300 мм; высота ступеней (h₁, h₂) — кратной 150 мм; высота фундамента (h_f) — кратной 300 мм, высота плитной части (h) — кратной 150 мм.

ТАБЛИЦА 4.22. ВЫСОТА СТУПЕНЕЙ ФУНДАМЕНТОВ, мм

Модульные размеры фундамента следующие:

Высота ступеней принимается по табл. 4.22 в зависимости от высоты плитной части фундамента [1]. Вынос нижней ступени вычисляется по формуле c₁ = kh₁, где k — коэффициент, принимаемый по табл. 4.23.

Руководство по проектированию фундаментов на естественном основании под колонны зданий и сооружений промышленных предприятий

Форма фундамента и подколонника в плане принимается: при центральной нагрузке — квадратной, размерами b×b и b_uc×b_uc; при внецентренной нагрузке — прямоугольной, размерами b×l и b_uc×l_uc, отношение b/l составляет 0,6–0,85.

Габариты фундаментов под типовые колонны прямоугольного сечения, например по сериям КЭ-01-49 и КЭ-01-55, для одноэтажных промышленных зданий принимаются по серии 1.412-1/77. Буквы в марках фундаментов обозначают: Ф — фундамент; А, Б, В и AT, БТ и ВТ — тип подколонников для рядовых фундаментов и под температурные швы (табл. 4.24), а числа характеризуют типоразмер подошвы плитной части фундамента и его типоразмер по высоте.

ТАБЛИЦА 4.23. КОЭФФИЦИЕНТ

k

Примечание. Над чертой указано значение без учета крановых и ветровых нагрузок, под чертой — с учетом этих нагрузок.

ТАБЛИЦА 4.24. РАЗМЕРЫ ПОДКОЛОННОЙ ЧАСТИ ФУНДАМЕНТОВ

По высоте приняты следующие размеры: тип 1 — 1,5 м; тип 2 — 1,8 м; тип 3 — 2,4 м; тип 4 — 3 м; тип 5 — 3,6 м и тип 6 — 4,2 м. В табл. 4.25 и 4.26 приводятся в качестве примера эскизы и размеры рядовых фундаментов и фундаментов под температурные швы. Эти фундаменты могут применяться при расчетном сопротивлении основания 0,15—0,6 МПа.

Все размеры фундаментов приняты кратными 300 мм. Применяется бетон класс В10 и В15. Армирование осуществляется плоскими сварными сетками из арматуры классов A-I, А-II и А-III. Защитный слой бетона принят толщиной 35 мм с одновременным устройством подготовки толщиной 100 мм из бетона В3,5.

ТАБЛИЦА 4.25. РАЗМЕРЫ РЯДОВЫХ ФУНДАМЕНТОВ

ТАБЛИЦА 4.26. РАЗМЕРЫ ФУНДАМЕНТОВ ПОД ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШВЫ

Рис. 4.9. Фундамент с подбетонкой для опирании балок 1 — фундамент; 2 — подбетонка; 3 — колонна

Для опирания фундаментных балок предусмотрена подбетонка (рис. 4.9). Пример конструктивного решения фундамента приведен на рис. 4.10.

Габариты монолитных фундаментов под типовые колонны двухветвевого сечения, в частности для серии КЭ-01-52 одноэтажных промышленных зданий, принимаются по серии 1.412-2/77. Размеры подколонной части таких фундаментов приведены в табл. 4.27. Габариты плитной части имеют типоразмеры от 1 до 18, а также типоразмер 19, при котором размер подошвы составляет 6×5 м. По высоте фундаменты могут быть 1—6-го типа. Остальные параметры такие же, как и в серии 1.412-1/77.

Рис. 4.10. Фундамент стаканного типа под колонну

1—6 — арматурные сетки

Железобетонные фундаменты под типовые колонны прямоугольного сечения, например по сериям ИИ-04, ИИ-20 и 1.420-6 для многоэтажных производственных зданий, принимаются по серии 1.412-3/79.

ТАБЛИЦА 4.27. ТИПЫ И РАЗМЕРЫ ПОДКОЛОННИКОВ

Отличие в маркировке фундаментов по сравнению с другими сериями заключается в том, что после цифры, обозначающей типоразмер подошвы, приводится высота плитной части. Размеры подколонной части фундамента приведены в табл. 4.27. Габариты плитной части включают типоразмеры от 1 до 18 и типоразмер 19 (с размером подошвы 5,4×6 м). по высоте фундаменты могут быть 1—6-го типа. Остальные параметры такие же, как и в серии 1.412-1/77. Монолитные железобетонные фундаменты под железобетонные типовые фахверковые колонны прямоугольного сечения, в частности по шифрам 460-75, 13-74 и 1142-77, принимаются по серии 1.412.1-4. Размеры фундаментов приведены в табл. 4.28. Сопряжение колонны с фундаментом шарнирное. Фундаменты разработаны для давления 0,15- 0,6 МПа. Применяется бетон класса В10. Армирование осуществляется сварными сетками из арматуры классов A-I, А-II и А-III. Пример узла опирания колонны на фундамент дан на рис. 4.11.

Под колонны зданий применяются сборные фундаменты из одного или нескольких элементов. на рис. 4.12 приведены решения сборных фундаментов под колонны каркаса для многоэтажных общественных и производственных зданий из элементов серии 1.020-1. Элементы фундамента типа Ф применяются на естественном основании, типа ФС — для составных фундаментов (табл. 4.29). Толщина защитного слоя бетона нижней рабочей арматуры принимается 35 мм, а остальной арматуры — 30 мм. Глубина заделки колонны в фундамент должна быть не менее величин, приведенных в табл. 4.30.

Рис. 4.11. Узел опирания колонны на фундамент

1 — закладное изделие колонны; 2 — анкер; 3 — соединительный элемент

Рис. 4.12. Сборный фундамент под колонну

Монтаж колонн и их крепление в фундамент

2016-01-21

Монтаж колонн с последующим их креплением к фундаменту крайне важный элемент строительных работ. Любые допущенные на данном этапе ошибки могут привести к серьезным последствиям в будущем. О том как правильно устанавливать колоны и какие материалы использовать читайте в данном материале.

Для каркасно-панельных строений качество установки колонн может сыграть решающую роль в долговечности и надежности конструкций. Особенно важно верно установить колонны первого этажа и крепление колонны в фундамент.

Крепление колонны к фундаменту

Прежде всего производится геодезическая проверка выполненной работы и на верхние грани фундамента наносятся риски осей колонн. Наносятся осевые риски и на сами колонны. В стакан фундамента при необходимости заливается бетон до проектной отметки, затем на весу сопоставляются риски на колонне и фундаменте. После чего колонны временно закрепляются и производится установка остальных колонн. После завершения подготовки рекомендуется еще раз проверить их положение. И лишь после этого колонны замоноличивают.

Стоит также отметить, что при должном мастерстве крановщика и строителей колонны временами получается установить сразу в нужное положение. Если же подобного не происходит, то колонны доводят при помощи домкратов и кондуктора.

Крепление металлический колонны к фундаменту

Металлические и стальные колонны к фундаменту крепятся тремя основными способами:

• 
  колонна устанавливается на стальные подкладки, в данном варианте фундамент не доводится до проектной отметки;

• 
  фундамент возводится до проектных отметок и колонну устанавливают непосредственно на его поверхность;

• 
  установка на опорные плиты.

Первый способ предполагает дополнительный расход металла, он сложен и не слишком точен. Второй способ требует точного выведение фундамента до нужно уровня, что временами сделать крайне сложно. Именно поэтому для установки тяжелый колонн часто используют именно третий способ, который позволяет осуществить жесткое крепление стальных колонн к фундаменту.

После замоноличивания колонн производится крепление анкерными болтами для придания колоннам дополнительной устойчивости.

Материалы для крепления колонн к фундаменту

Компания «Гидрозо» представила состав идеально подходящий для крепления колонн в фундамент. Стармекс ФМ7 (Starmex FM7) выделяется своими уникальными свойствами среди большинства аналогов. В первую очередь стоит отметить его высокую прочность и отличную адгезию к основанию, которая позволяет составу становится единым целым с основанием. В Стармекс ФМ7 (Starmex FM7) нет металлических частиц и хлоридов, что позволяет без ограничений использовать его вместе с металлическими колоннами. Он водонепроницаем и огнеупорен.

Для металлических колонн весьма актуален вопрос их защиты от ржавчины. Для его решения мы рекомендуем применять состав Маногард Фер 133. Его особенностью является создание специального защитного слоя, который надежно предохраняет металл от образования коррозии, улучшает адгезию с большинством наносимых после его применения материалов и способен успешно противостоять воздействию кислот и щелочей.

Малейшие просчеты и недобросовестность при креплении колонн к фундаменту могут привести к весьма серьезным последствиям. Проблемы могут возникнуть и при неудачном выборе материалов. Для своих клиентов мы рекомендуем только лучшие варианты, которые наши специалисты уже неоднократно испытали и получили на выходе весьма впечатляющие результаты.

Монолитный фундамент под колонны — Блог о строительстве

Дата: 15-08-2015Просмотров: 2341Рейтинг: 46

Фундамент является основной частью любого строения.

Как правило, существует 2 принципиально различных группы конструкций зданий. Первая, используемая для возведения зданий общественного назначения, — бескаркасная конструкция здания. Вторая, применяемая для объектов промышленного и стратегического назначения, — каркасная конструкция.

Для устойчивости и прочности здания фундамент под колонны возводят особой конструкцией.

Для каркасных строений объектами, которые принимают на себя основную нагрузку, являются колонны (они бывают металлические или железобетонные). Для возведения каркасных зданий требуется особая конструкция основания. Данный обзор расскажет вам про фундаменты под металлические колонны.

Совместно с анкерными устройствами в будущую конструкцию закрепляют другие функциональные части:

Трубопроводы.Канализацию, если предусмотрено расположение внутри.Трубы для электропроводки и электрических кабелей.Специальные поддерживающие устройства (служат для дальнейшей облицовки и окантовки поверхности)

Установка этих частей не требует чрезмерно высокой точности.

Варианты столбчатого фундамента.

Первым делом проводится разметка и сооружение опалубки для заливаемой конструкции.

Она может быть выполнена из листов влагостойкой фанеры или досок. После того как был сооружен каркас, все элементы и соединения закреплены, можно приступать к непосредственной заливке полости бетоном. Но перед этим нужно произвести измерение высоты и плана всех установленных устройств, а также закладочных элементов.

Когда производится само бетонирование, заранее закладываются специальные плановые геодезические уровни и высотные знаки. В дальнейшем они потребуются для процессов монтажа, а также проведения геодезических исследований, если здание по каким-либо причинам начнет оседать.

Необходимо сделать специальные отметки внешней поверхности бетонного слоя, уровней всех анкерных и болтовых соединений, других функциональных частей и закладочных элементов. Эти отметки выносят на поверхность болтов и отмечаются соответствующими цветами.

Если будущее каркасное здание предполагает быть высотным, то металлические колонны каркаса здания устанавливаются на плитах специального назначения.

Ниже представленные основные требования и моменты, которые требует для себя фундамент для металлической колонны.

Для начала следует уточнить, что колоны бывают:

из железобетона;металла.

Вернуться к оглавлению

Столбчатый фундамент под колонны:а — с наклонными боковыми гранями;

б — с уступами.

Именно от того, какой тип колонны применяется, будут зависеть и конструктивные особенности основания. Устройство фундамента под колонныпроизводится при помощи больших болтов или специальных анкерных устройств, которыми металлическая колонна прикрепляется непосредственно к поверхности.

Специальные болты закрепляют в будущий фундамент под металлическую колонну, эта операция необходима для непосредственного крепления колонн и разнообразного, по технологическому назначению, оборудования. После того как анкерные болты (соединения) были закреплены в конструкции, они подвергаются процессу разбивания. Стоит заметить, что после разбивания отклонение центров болтов не должно превышать 1-2 мм.

Все крепежные болты или сварные соединения и разнообразное технологическое оборудование устанавливаются от собственных осей залитого основания, после чего производят закрепление на верхней части опалубок. Стоит помнить, что среднее отклонение осей болтов и устройств относительно осей будущего строения ни в коем случае не должно превышать 3 мм.

Необходимо упомянуть и такой момент: бывают ситуации, когда опалубки устанавливаются глубоко в котловане или иногда при установке технологического оборудования требуется установить трубу под определенным наклоном. В таких случаях, для уменьшения погрешностей и повышения устойчивости строения, оси выносят в 2 положения круга теодолита, тем самым получая оптимальный результат.

Вернуться к оглавлению

Фундаменты под металлические колонны дополнительно рассчитываются под геодезическое обеспечение. Для правильного обеспечения геодезии при возведении конструкции основания производят контроль высотных положений анкерных болтов. С целью их правильного закрепления и установки применяют шаблоны или кондуктор.

Шаблоном называется плоская рама (металлическая, но чаще деревянная), в которой имеются уже готовые гнезда для болтовых креплений.

Фундамент под колонну: а) монолитный, б) сборный.

Шаблоны соединяют на опалубках с основными осями в монолитных фундаментахпод колонны, после чего закрепляют. С целью сохранения вертикального положения анкерные крепления измеряют строительным уровнем и приваривают к арматурным частям обвязки.

После того как была выполнена заливка бетоном, производится контроль положений всех крепежных соединений. Если необходимо внести корректировки, то их делают до того, как бетон застынет.

В последнее время для повышения надежности каркаса строения анкерные болтовые соединения размещаются в специальных колодцах, которые были сделаны в конструкции при их заливке. Эти колодцы заделываются после того, как болт был установлен, закреплен и его положение было вымерено.

Монолитные фундаменты под колонны возводятся при помощи установки анкерных устройств, которые имеют большую массу или габариты. Для их закрепления и дальнейшего удержания в заданном положении применяют специальные строительные обвязки. Основные части таких приспособлений это:

Металлический каркас — необходим для поддержания болтовых шаблонов при заливке.Металлический шаблон — нужен для непосредственного закрепления анкерных устройств в фундамент под металлическую колонну.

Еще на бетонную заготовку производится установка стоек каркасов, рам и балок, которые можно закрепить друг с другом. После того как пространство каркаса было залито бетоном, оно, совместно с анкерными соединениями и болтами, остается для отвердения и набирания прочности, а кондуктор и шаблоны креплений снимаются. Болтовые и крепежные соединения устанавливаются с повышенным уровнем точности, после чего закрепляются в теле основания.

//youtu.be/sQxG17B3Mbk

Вернуться к оглавлению

Анкерные болты для фундамента всех типов.

Один из самых трудных этапов возведения фундамента под металлическую колонну — это процедура измерения и дальнейшей установки анкерных конструкций и устройств. Для ускорения и облегчения данного этапа применяют шаблон специальной конструкции, который называется «кондуктор». Данный шаблон надевается на группы болтовых соединений.

Кондуктор — это рама, которая сварена из определенных размеров кусков металлов или швеллеров.На них особым образом располагают крепежные устройства и приспособления, наносят оси залитой поверхности в каркасе и отверстия для крепежных болтов.

После того как кондуктор был закреплен в месте, которое было отведено для него, места его осей состыковываются с коллинеарными осями закладываемого основания здания. Верхняя плоскость кондуктора устанавливается на специальные точки, вымеренные и отмеченные заранее. Стоит запомнить, что точность установки крепежных болтов соединений и устройств во многом зависит от правильного применения кондуктора.

Помимо этого, его применение повышает скорость проводимых работ. К закрепленному шаблону при помощи гаек прикрепляют анкерные соединения, концы которых привариваются к каркасу фундаментаили его арматуре. Эта операция необходима для того, что бы не нарушить положение соединений.

//youtu.be/xs_hvSwr4Fg

Это основные этапы устройства фундамента под металлические колонны.

Библиотека / Сорочан Е.А. Основания, фундаменты и подземные сооружения / Глава 4. Конструкции фундаментов мелкого заложения

Основным типом фундаментов, устраиваемых под колонны, являются монолитные железобетонные фундаменты, включающие плитную часть ступенчатой формы и подколонник.

Сопряжение сборных колонн с фундаментом осуществляется с помощью стакана (см. рис. 4.1, а), монолитных — соединением арматуры колонн с выпусками из фундамента (рис.

4.8, а), стальных — креплением башмака колонны к анкерным болтам, забетонированным в фундаменте (рис. 4.8, б).Рис. 4.8.Соединение колонн с фундаментома — монолитной; б — стальной; 1 — арматурные сетки; 2 — анкерные болтыРазмеры в плане подошвы (b, l), ступеней (b1, l1), подколонника (luc, buc) принимаются кратными 300 мм; высота ступеней (h2, h3) — кратной 150 мм; высота фундамента (hf) — кратной 300 мм, высота плитной части (h) — кратной 150 мм.ТАБЛИЦА 4.22.

ВЫСОТА СТУПЕНЕЙ ФУНДАМЕНТОВ, ммВысота плитной частифундамента h, ммh2h3h4300300––450450––600300300–750300450–900300300300105030030045012003004504501500450450600Модульные размеры фундамента следующие:hf1500—12000h400, 450, 600, 750, 900, 1050, 1200, 1500, 1800h2, h3, h4300, 450, 600b1500—6600l1500—8400b1, b21500—6000buc900—2400luc900—3600l1, l21500—7500Высота ступеней принимается по табл. 4.22 в зависимости от высоты плитной части фундамента [1]. Вынос нижней ступени вычисляется по формуле c1 = kh2, где k — коэффициент, принимаемый по табл.

4.23.Руководство по проектированию фундаментов на естественном основании под колонны зданий и сооружений промышленных предприятийФорма фундамента и подколонника в плане принимается: при центральной нагрузке — квадратной, размерами b×bи buc×buc; при внецентренной нагрузке — прямоугольной, размерами b×lи buc×luc, отношение b/lсоставляет 0,6–0,85.Габариты фундаментов под типовые колонны прямоугольного сечения, например по сериям КЭ-01-49 и КЭ-01-55, для одноэтажных промышленных зданий принимаются по серии 1.412-1/77. Буквы в марках фундаментов обозначают: Ф — фундамент; А, Б, В и AT, БТ и ВТ — тип подколонников для рядовых фундаментов и под температурные швы (табл. 4.24), а числа характеризуют типоразмер подошвы плитной части фундамента и его типоразмер по высоте.ТАБЛИЦА 4.23.

КОЭФФИЦИЕНТ kДавление на грунт, МПаЗначения kпри классе бетонаВ10В15В20В10В15В20В10В15В20В10В15В200,153333333333330,23333333332,93330,253333333332,52,832,630,33333332,7332,32,532,82,42,60,352,8332,7332,42,732,12,32,732,92,62,92,22,42,90,42,62,932,52,832,32,5322,12,52,732,732,42,72,22,60,452,42,732,32,632,12,32,81,922,32,52,82,52,72,22,532,12,50,52,32,532,22,4322,22,61,81,92,22,42,72,32,62,12,32,822,30,552,22,42,82,12,32,71,92,12,51,71,82,12,32,53,82,22,42,922,22,61,92,2Примечание. Над чертой указано значение без учета крановых и ветровых нагрузок, под чертой — с учетом этих нагрузок.ТАБЛИЦА 4.24. РАЗМЕРЫ ПОДКОЛОННОЙ ЧАСТИ ФУНДАМЕНТОВРазмеры колонн, ммРядовой фундаментФундамент под температурный шовРазмеры стаканов, ммОбъем стакана, м3lcbcтип подколон-никаразмеры, ммтип подколон-никаразмеры, имhglgbglucbuclucbuc400400А900300AT90021008009005005000,220,25500600600500400600Б12001200БТ120021008009008006007007006005006000,310,340,41800800400500В12001200ВТ150021009009009009005006000,440,52По высоте приняты следующие размеры: тип 1 — 1,5 м; тип 2 — 1,8 м; тип 3 — 2,4 м; тип 4 — 3 м; тип 5 — 3,6 м и тип 6 — 4,2 м.

В табл. 4.25 и 4.26 приводятся в качестве примера эскизы и размеры рядовых фундаментов и фундаментов под температурные швы. Эти фундаменты могут применяться при расчетном сопротивлении основания 0,15—0,6 МПа.Все размеры фундаментов приняты кратными 300 мм.

Применяется бетон класс В10 и В15. Армирование осуществляется плоскими сварными сетками из арматуры классов A-I, А-II и А-III. Защитный слой бетона принят толщиной 35 мм с одновременным устройством подготовки толщиной 100 мм из бетона В3,5.ТАБЛИЦА 4.25.

РАЗМЕРЫ РЯДОВЫХ ФУНДАМЕНТОВЭскизМарка фундаментаРазмеры, ммОбъем бетона, м3lbl1b1h2h3hfФА6-1ФА6-2ФА6-3ФА6-4ФА6-5ФА6-624002100150015003003001500180024003000360042002,93,23,64,14,65,1ФА7-1ФА7-2ФА7-3ФА7-4ФА7-5ФА7-627002100180015003003001500180024003000360042003,23,34,04,54,95,4ФА8-1ФА8-2ФА8-3ФА8-4ФА8-5ФА8-627002400180015003003001500180024003000360042003,53,74,24,75,25,7ФА9-1ФА9-2ФА9-3ФА9-4ФА9-5ФА9-630002400210015003003001500180024003000360042003,84,14,65,05,56,0ТАБЛИЦА 4.26. РАЗМЕРЫ ФУНДАМЕНТОВ ПОД ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШВЫЭскизМарка фундаментаРазмеры, ммОбъем бетона, м3blb1h2h2hfФАТ3-1ФАТ3-2ФАТ3-3ФАТ3-4ФАТ3-5ФАТ3-618002100–300–1500180024003000360042003,44,05,16,27,48,5ФАТ6-1ФАТ6-2ФАТ6-3ФАТ6-4ФАТ6-5ФАТ6-62400210015003003001500180024003000360042004,24,75,97,08,19,3ФАТ7-1ФАТ7-2ФАТ7-3ФАТ7-4ФАТ7-5ФАТ7-62700210018003003001500180024003000360042004,55,16,27,48,59,6Рис. 4.9.Фундамент с подбетонкой для опирании балок 1 — фундамент; 2 — подбетонка; 3 — колоннаДля опирания фундаментных балок предусмотрена подбетонка (рис.

4.9). Пример конструктивного решения фундамента приведен на рис. 4.10.Габариты монолитных фундаментов под типовые колонны двухветвевого сечения, в частности для серии КЭ-01-52 одноэтажных промышленных зданий, принимаются по серии 1.412-2/77.

Размеры подколонной части таких фундаментов приведены в табл. 4.27. Габариты плитной части имеют типоразмеры от 1 до 18, а также типоразмер 19, при котором размер подошвы составляет 6×5 м.

По высоте фундаменты могут быть 1—6-го типа. Остальные параметры такие же, как и в серии 1.412-1/77.Рис. 4.10.Фундамент стаканного типа под колоннуЖелезобетонные фундаменты под типовые колонны прямоугольного сечения, например по сериям ИИ-04, ИИ-20 и 1.420-6 для многоэтажных производственных зданий, принимаются по серии 1.412-3/79.ТАБЛИЦА 4.27.

ТИПЫ И РАЗМЕРЫ ПОДКОЛОННИКОВРазмеры колонн, ммРядовой фундаментФундамент под температурный шовРазмеры стаканов, ммОбъем стакана, м3lcbcтип подколон-никовразмеры, ммтип подколон-никовразмеры, ммhglgbglucbuclucbuc300300А900900AT90021004504504004000,080,1240040065010505005000,180,29600400Б12001200БТ1200210065010507005000,250,40Отличие в маркировке фундаментов по сравнению с другими сериями заключается в том, что после цифры, обозначающей типоразмер подошвы, приводится высота плитной части. Размеры подколонной части фундамента приведены в табл. 4.27.

Габариты плитной части включают типоразмеры от 1 до 18 и типоразмер 19 (с размером подошвы 5,4×6 м). по высоте фундаменты могут быть 1—6-го типа. Остальные параметры такие же, как и в серии 1.412-1/77.

Монолитные железобетонные фундаменты под железобетонные типовые фахверковые колонны прямоугольного сечения, в частности по шифрам 460-75, 13-74 и 1142-77, принимаются по серии 1.412.1-4. Размеры фундаментов приведены в табл. 4.28.

Сопряжение колонны с фундаментом шарнирное. Фундаменты разработаны для давления 0,15- 0,6 МПа. Применяется бетон класса В10.

Армирование осуществляется сварными сетками из арматуры классов A-I, А-II и А-III. Пример узла опирания колонны на фундамент дан на рис. 4.11.Под колонны зданий применяются сборные фундаменты из одного или нескольких элементов.

на рис. 4.12 приведены решения сборных фундаментов под колонны каркаса для многоэтажных общественных и производственных зданий из элементов серии 1.020-1. Элементы фундамента типа Ф применяются на естественном основании, типа ФС — для составных фундаментов (табл.

4.29). Толщина защитного слоя бетона нижней рабочей арматуры принимается 35 мм, а остальной арматуры — 30 мм. Глубина заделки колонны в фундамент должна быть не менее величин, приведенных в табл.

4.30.Рис. 4.11.Узел опирания колонны на фундамент1 — закладное изделие колонны; 2 — анкер; 3 — соединительный элементРис. 4.12.Сборный фундамент под колонну

В современном строительстве жилых и коммерческих зданий, мостов и иных сооружений часто в качестве основных несущих основную нагрузку элементов выступают колонны.Различные по способу производства и своим характеристикам, эти элементы зданий служат основой каркаса, на который устанавливаются все остальные конструкции здания.

Вместе с тем для надежной, прочной, но главное правильной конструкции всего сооружения, колонны должны быть установлены с минимальными отклонениями от расчетных величин проекта. Именно поэтому в процессе расчета проекта и практической его реализации много внимания уделяется устройству фундаментов.Основой строительства любой капитальной постройки сегодня, независимо от того какое планируется его дальнейшее применение, является фундамент, тип и особенности которого зависят в первую очередь от типа грунтов на участке и той нагрузки, которая будет передаваться на него от остальных элементов здания.Для устройства основания под такие специфические строительные элементы, как колонны в отличие от остальных видов конструкций применяются фундаменты, способные не только выдержать вес колон и остальных частей здания, но и обеспечить необходимую проектом заданную вертикаль.Для выполнения этих задач в современных технологиях применяются два основных варианта устройства фундамента под колонные конструкции:монолитные основания;сборные фундаменты.Виды фундаментов под колонны: слева — монолитный, справа — сборныйОба варианта в основе своей имеют схожую конструкцию, выполненную из армированного железобетона. Такое исполнение позволяет надежно зафиксировать нижние точки опор в соответствующем положении.

Отличие заключается в том, что каждый вид имеет свое направление применения:монолитные фундаменты более универсальны и могут использоваться как под железобетонные колонны, независимо от формы, так и под стальные или металлические;составные или сборные основания используются в основном под бетонные колонны.Для обеспечения соединения колонн и фундаментов в одно целое, применяются два основных вида соединения:для железобетонных конструкций применяются метод вставки основания колонны в специально созданное углубление с последующей его фиксацией заливкой бетоном;для стальных элементов предусматривается соединения с помощью болтов. Такая конструкция, когда в фундаментном блоке заранее установлены болты под отверстия в основании колонны обеспечивает наиболее удобное соединение. к оглавлению ↑

Расчет фундаментов под колонны

Отправными данными для расчета фундамента под одну колонну здания являются:

масса непосредственно самой колонны;масса перекрытия;масса стеновых материалов;масса конструкций здания, опирающихся на колонны.

Вычисление давления, которое воздействует на одну опору, проводится с использованием расчета площади опоры непосредственно самой колонны. Так, при размерах опоры 50*50 см.

искомая площадь будет составлять 2500 кв. см. Далее проводится суммирование всех масс здания и деления полученного результата на площадь одной опоры.

Для расчета количества самих колон, требуются данные о свойствах грунта, глубине грунтовых вод, их насыщенности, при этом как показывает практика, количество опор рассчитывается с запасом не менее 50% запаса по прочности на каждую из колонн. При получении меньшего результата, как правило, увеличивают количество точек опор.

к оглавлению ↑

Устройства фундамента под железобетонные колонны

Монолитные и сборные основания под колонны предусматривают в своей конструкции специальную форму, в которую устанавливается железобетонная колонна. По сути это железобетонная форма, получившая в строительстве название «стакан».

Фундамент стаканного типа

Непосредственно сами фундаменты под железобетонные колонны могут быть представлены в двух основных вариантах конструкции:

в монолитном исполнении;сборные конструкции.

Основой такой конструкции является прямоугольная плита, на которой располагаются другие меньшие плиты, образуя, таким образом, пирамиду в виде ступеней с венчающем ее вверху стаканом под опору. В монолитном исполнении все основание является одним целым, а вот сборная конструкция является чем-то вроде детской пирамидки – снизу самая большая плита, а далее плиты поменьше.

к оглавлению ↑

В качестве фундамента под металлические колонны используются в основном монолитные железобетонные основания. Каркасом такого монолита является армированная конструкция, вверху которой в определенном порядке в соответствии с размерами подошвы стальной колонны установлены анкерные болты.

Технология изготовления такого фундамента ничем не отличается от заливки монолитного фундамента для железобетонных опор, с той поправкой, что вместо стакана устанавливаются с помощью кондуктора анкерные болты.

Еще одной особенностью таких основания является точность разметки всех линий и точек установки болтов.

к оглавлению ↑

Монолитный фундамент под колонны

Монолитные основания, выливаемые одним монолитным сооружением, имеют грани ступеней под углом 90 градусов.

Такие фундаменты в основном оборудуются непосредственно на строительной площадке сооружения. Для заливки на дне котлована на заранее оборудованном и подготовленном месте проводится разметка осей будущих колонн. Под каждое основание сооружается опалубка либо собирается съемная конструкция опалубки, использование которой значительно упрощает работу, поскольку не требуют дополнительных затрат на проверку правильности установки.

Для опалубки, согласно, технологических карт, проводится установка положения, как по вертикали, так и по горизонтали. Последним этапом проверки перед заливкой бетоном монолитного основания является проверка на соответствие правильности размещения по монтажным осям. После установки опалубки нижних ярусов, проводится проверка и установка подколонника (стакана).

При заливке основания под сложную форму железобетонной колонны используется усиление каркаса металлической сеткой или сварным арматурным каркасом. Для установки на легких грунтах, сложных почвах, там, где требуется повышенная прочность под фундаментом возможно устройство дополнительной площадки или устройство свайного фундамента, обеспечивающего большую прочность.

к оглавлению ↑

Анкерные соединения для устойчивости колонны

Сборные металлические колонны соединяются с фундаментным основанием при помощи анкерных болтов.

Сами болты для крепления колонн устанавливаются в тело фундамента в процессе его заливки. Для закладки анкеров используются стандартные кондуктора, позволяющие установить болты с максимальной точностью. Согласно нормам и правилам погрешностью в установке анкерных болтов в основание является отклонение от заданного положения не более чем 2 мм в ту или иную сторону.

Сборные металлические колонны

При промышленном изготовлении основания допускается отклонение одного из креплений, но не более чем на 5 мм. При этом все остальные анкера должны на 100% соответствовать стандарту.

В любом случае разметка и установка фундаментных блоков под стальные колонны проводится с помощью теодолита, по оси установки анкерных болтов.

к оглавлению ↑

Кондуктор-шаблон для анкерных соединений

При заливке бетонного основания под металлические колонны используют специальный кондуктор, с помощью которого контролируется глубина и высота установки анкерных болтов.

По сути, это своего рода шаблон для установки анкеров. Чаще всего изготовление кондуктора проводится из металла, на верхней поверхности которого нанесены риски для совмещения с осями и последующей проверке правильности установки с помощью теодолита. Отверстия для крепления болтов делаются в соответствии с диаметром анкеров.

Перед заливкой бетоном болты привариваются к арматурному каркасу основания, а после заливки бетоном, до того момента как он наберет свою техническую твердость проводится проверка правильности расположения болтов. Следующим этапом проводится контроль жесткости опалубки и анкеров. В завершении данной контрольной операции проверяется высотно-плановый показатель расположения.

Кондуктор-шаблон для анкерных соединений

Под тяжелые стальные конструкции используются тяжелые или усиленные варианты анкерных болтов.

Размеры как диаметра болта, так его длины и шага резьбы существенно отличаются от легких анкерных соединений. Установка усиленных тяжелых болтов проводится с помощью шаблонов, в нужном положении до заливки основания бетоном. Для большей фиксации таких шаблонов используют дополнительную фиксацию каркасными стойками, придающих конструкции более жесткий вид.

После заливки бетоном, шаблоны анкерных болтов убираются, при этом, как правило, каркас остается на месте установки.

При проведении этого этапа работ особое внимание уделяется правильному расположению болтов, обязательно контролируются буквально все параметры – высота, глубина вертикальность установки. Это один из самых трудоемких процессов, но от него зависит насколько верно проведено установка фундамента. Для облегчения работ на этом этапе используется несколько эталонных шаблонов-кондукторов.

Сваренный из металлического швеллера или иного металлического профиля большой толщины с нанесенными координатами осей он должен обладать большой массой и жесткостью. В намеченных местах просверливаются отверстия под диаметр анкерных болтов. Для легких болтов, как правило, используется обычный деревянный брус.

Перед установкой болтов проверяется правильность установки кондуктора. Он совмещается по осям координат, а по высоте устанавливается согласно меток, на стойках каркаса.

к оглавлению ↑

Отдельные фундаменты под колонны

Для проектирования и строительства отдельных фундаментов чаще всего независимо от типа почвы, на которой они планируются располагаться, выбираются сборные или монолитные фундаменты.

Основанием является плита или несколько плит с дальнейшим расположением на ней ступенчатой конструкции. На особо ответственных участках площадь основания увеличивают, и дополнительно усиливают сварной решеткой из арматуры. В зданиях, где отдельные фундаменты под колонны планируется размещать в центре постройки для обеспечения больших нагрузок, площадь подошвы делают увеличенной, на дополнительно залитой монолитной площадке.

к оглавлению ↑

Заключение

В любом случае колонна должна иметь жесткое, твердое и правильно установленное основание. И хотя в большинстве случаев закладка фундамента проводится индивидуально для каждого сооружения, и в этом деле как кажется на первый взгляд, нет ничего особенного, однако привлечение специалиста, также, как и использование проектной документации, позволит существенно сократить объемы работ и избежать при этом серьезных ошибок.

Источники:

• moifundament.ru
• xn--h2aleim.xn--p1ai
• stroykarecept.ru

Фундаменты промышленных зданий

Новый сервис — Строительные калькуляторы online

Фундаменты сборных железобетонных колонн

Типовые чертежи фундаментов по сериям 1.412-1, 1.412-2 разработаны для сборных железобетонных колонн любого вида и типоразмера при нормативном давле­нии на грунт 0,15-0,45 МПа.

Фундаменты вы­полняют на строительной площадке, исполь­зуя, как правило, деревянную опалубку.

Фундаменты состоят из подколонника и одно-, двух- или трехступенчатой плитной части.

Фундаменты спроектированы по высоте 1,5 м и в пределах 1,8-4,2 м с интервалом 0,6 м.

Обрез фундаментов под железобетонные колонны располагается чаще всего для одно­этажных зданий на отметке минус 0,15 м, для многоэтажных зданий-на отметке минус 0,2 м.

Фундаменты выполнены с уступами, высота которых 0,3 и 0,45 м.

Все размеры их в плане унифицированы и кратны модулю 0,3 м.

Площадь подколонников принята в шести вариантах начиная от 0,9 х 0,9 м (а_к х Ь_к).

В последующих вариантах размер подколонника в направлении шага колонн Ь_к установлен 1,2 м, а размер в направлении пролета между колоннами а_к составляет 1,2; 1,5; 1,8; 2,1 и 2,7 м.

Фундаменты сборных железобетонных колонн:

(1-подколонник стаканного типа; 2-железобетонная колонна; 3-плитная часть; 4-подошва фундамента)

Размеры конкретного фундамента выбира­ют в зависимости от нагрузки, передаваемой колонной, характеристик грунта и решений конструктивной части здания ниже отметки 0.000.

Зазор между гранями колонн и стенкой стакана принят по верху стакана 75 мм и по низу 50 мм, а между низом колонны и дном стакана 50 мм. Минимальная толщина стенки поверху 175 мм.

Стакан для ветвей двухветвевой колонны устраивают об­щим.

Класс бетона фундаментов В10-В12 (М150 или М200).

После установки колонн стаканы заливают бетоном класса В20 или В25 на мелком гравии.

Под железобетонные фундаменты обычно делают подготовку толщиной 100 мм из щебня с проливкой цементным раствором или из бетона класса В7,5.

При прочных слабофильтрующих грунтах устройство подготовки не требуется.

Фундамент под спаренные колонны в температурных швах устраивают общим даже в том случае, если колонны по смежным разбивочным осям спроектированы стальными и железобетонными.

Фундаментные балки под наружные стены рассчитаны на нагрузку от сплошных стен и стен с оконными или дверными проемами, расположенными над серединой фундаментной балки.

Для опирания фундаментных балок на фундаменты колонн рекомендуется устройство приливов (бетонных столбиков), ширину которых следует принимать не менее максимальной ширины балки, а обрез на от­метке минус 0,45 или 0,6 м-в зависимости от ее высоты.

В многоэтажных каркасных зданиях с под­валами стены последних могут быть выполне­ны монолитными, из сборных железобетонных панелей (аналогично панелям наружных стен зданий) или из стеновых блоков и плит.

Отметку низа фундаментов колонн и стен подвала, расположенных между колон­нами, принимают, как правило, одинаковой.

Гидроизоляцию выполняют в соответствии с материалами, в зависимости от грунтовых вод и глубины наложения подвала.

В сухих грунтах следует учитывать возможность временного появления грунтовых вод, например весной.

Расположение фундаментных балок:

а — вид сбоку; б — план; в — сечение; 1 — фундаментная балка; 2 — прилив или бетонный столбик; 3 — колонна рядовая; 4 — колонна у температурного шва; 5 — колонна примыкающего пролета; 6 — стена; 7 — засыпка шлаком; 8 — отмостка

В многоэтажных каркасных зданиях с под­валами стены последних могут быть выполне­ны монолитными, из сборных железобетонных панелей (аналогично панелям наружных стен зданий) или из стеновых блоков и плит.

Отметку низа фундаментов колонн и стен подвала, расположенных между колон­нами, принимают, как правило, одинаковой.

Гидроизоляцию выполняют в соответствии с материалами, в зависимости от грунтовых вод и глубины наложения подвала.

В сухих грунтах следует учитывать возможность временного появления грунтовых вод, например весной.

Фундаменты стальных колонн

Фундаменты под стальные колонны принима­ют по типу фундаментов под железобетонные колонны. При этом подколонник устраивается сплошным (без стакана) и имеет анкерные болты, заделанные в бетон.

База стальной колонны крепится к фундаменту гайками, навинчивающимися на верхние выступающие из бетона концы анкерных болтов.

Размеры фундамента выбирают как для сборной железобетонной колонны, имеющей размеры сечения, близкие к размерам сечения стальной колонны.

Для заглубления развитых баз стальных колонн (с траверсами) обрезы фундаментов располагают на отметке — 0,7 или — 1,0 м.

Для стальных колонн, у которых траверсы отсутствуют, отметку верха подколонника назначают порядка — 0,25 м.

Сечение подколонников под базы сталь­ных колонн выбирают так, чтобы расстояние от оси анкерных болтов до грани подколонника было не менее 150 мм.

Монолитные железобетонные фундаменты под стальные колонны:

(1-стальная колонна; 2-анкерный болт; 3-анкерная плита; 4-опорная плита; 5-цементная подливка; 6-железобетонный фундамент)

Свайные фундаменты

Конструкции монолитных фундаментов железобетонных и стальных колонн могут при­меняться совместно со сваями.

При устройстве фундаментов использование свай целесообразно в тех случаях, когда не­посредственно под сооружением залегают сла­бые грунты, не способные выдержать нагрузку от сооружения, или когда применение свай позволяет получить экономически наиболее выгодное решение.

В отечественной практике известно более 150 видов свай, которые классифицируются по материалам (железобетонные, бетонные, дере­вянные и т. д.), конструкции (цельные, состав­ные, квадратные, круглые, с уширением и без него и т.д.), виду армирования, способу из­готовления и погружения (сборные, монолит­ные, забивные, завинчиваемые, буронабивные, виброштампованные и т. д.), характеру работы в грунте (сваи-стойки, висячие сваи).

Сваи железобетонные забивные цельные сплошного квадратного сечения по ГОСТ 19804.1-79* и ГОСТ 19804.2-79* рекоменду­ется применять для всех зданий и сооружений в любых сжимаемых грунтах (за исключением грунтов с непробиваемыми включениями).

Сваи забивают до проектных от­меток.

В том случае, если по каким-либо при­чинам отметки свай разные, осуществляют срубку свай ручными или механическими ин­струментами до заданных проектных отметок.

Свайные фундаменты:

1-железобетонная колонна; 2-подколонник; 3-плитная часть фундамента; 4-свая

Фундамент под колонны

Все сооружения и здания можно разделить на два типа — каркасные и бескаркасные. Промышленные здания, как правило, являются каркасными конструкциями, а гражданские здания — бескаркасными. Основными несущими элементами каркасных сооружений считаются колонны, ригели, на которые в дальнейшем навешиваются стеновые панели и перекрытия. Колонны бывают двух видов: железобетонные и металлические. Конструкция фундамента должна выбираться в зависимости от вида самих колонн.

Устройство фундамента под железобетонные колонны

Под железобетонные колонны лучше всего выбирать фундаменты стаканного типа. Такое основание может быть монолитным или сделанным из сборных частей. Возводить ступенчатое основание следует лишь в случае, когда фундамент достигнет отметки выше 35 см. Нужно учитывать, что ступени сборного фундамента имеют наклонную поверхность, а монолитного основания — горизонтальную.

Для монтажа данного фундамента, прежде всего, необходимо вырыть котлован и на его дно передать оси возводимого сооружения. Далее при помощи откладывания расстояния по поперечным и продольным осям можно закрепить кольями проектное положение самого фундамента. Помните, что смонтировать сборный фундамент можно лишь в пределах закрепленного четырехугольника, или можно возвести опалубку для монолитного фундамента. Фиксирующие строительные оси нужно установить в плановое положение короба по отвесам, и опускать их следует с проволок. После этого необходимо плотно закрепить установленные короба. На следующем этапе производится установка подколонника, который монтируется чуть ниже отметок на коробе, чтобы в дальнейшем можно было подливать бетон, и довести границу фундамента до проектной отметки. Если же фундамент будет немного ниже отметки, то при установке колонн следует подложить металлическую подкладку нужной толщины под башмак колонны.

Еще перед укладкой сборного фундамента необходимо зафиксировать положение осей на блоки. Если возводимые объект имеет небольшие габариты, то монтаж должен осуществляться от осей, которые закреплены струнами. Основание рекомендуется устанавливать в плановое положение при помощи отвеса. На завершающем этапе монтажа фундамента стаканного типа под железобетонные колонны нужно нанести четыре осевых риски по всем краям стакана, определить все отметки четырех углов и дна стакана, или же измерить величину отклонения отметок от плановых.

Устройство фундамента под металлические колонны

В процесс сооружения основания под металлическую колонну должны входить: изготовление фундамента с полостью, расчет расположения фундамента с учетом геодезических особенностей, а также проектировка его размещения и выбор заполняющего полости материала. Также нужно будет изготовить металлические оболочки, которые плотно западают друг в друга, затем сварить фланцы с отверстиями и приварить малым основанием к колонне внешнюю конусоподобную оболочку. Далее к внутренней оболочке необходимо приварить стержни из арматуры. Продольные стержни следует охватить кольцевыми, расстояние между которыми составляет 100-400 мм, образуя, таким образом, основу стального каркаса. Одновременно также выполняют конус из щебня по центру каждой колонны, на который в дальнейшем будет надеваться арматурный конус со стальной внутренней оболочкой в вершине. На следующем этапе закрепляют патрубок на стальном каркасе и временно соединяют опалубку с арматурным каркасом. Как только кондуктор установлен, арматурный каркас с внутренней оболочкой и опалубкой рихтуется в пространстве. Их следует зафиксировать в нужном положении и подсоединить шланг бетононасоса в горловину внутренней оболочки арматурного каркаса, после чего бетонируют конусный фундамент. Как только бетон наберет нужную прочность, Вам придется установить стальную колонну. Для этого на внутреннюю оболочку фундамента необходимо закрепить внешнюю металлическую конусную оболочку колонны, затем фиксирующие зубья соединить с фланцевыми отверстиями. После этого следует затянуть фрикционные шпильки фланцев. В результате Вы получите конусный фундамент под стальные колонны, с заполненной полостью щебнем и с вершиной, где находится конусная оболочка. Таким способов Вы выполнили безвыверочный способ монтажа колонны.

Также рекомендуется засыпать полости щебнем, что обеспечит хорошую шероховатость в зоне соприкосновения железобетонного пустотелого фундамента с полостью.

Особое внимание следует обратить на рихтовку основания, ведь от этого зависит степень равномерно осадки колонн и всего здания. Данную процедуру можно производить как в самом процессе изготовления основания, так и после этого. Также производить рихтовку можно после долговременной эксплуатации здания и в случаях проседания колонн. Чтобы осуществить эту процедуру, сначала необходимо провести нивелировку конусных фундаментов, после чего определить нужную величину рихтовки отдельных конусных элементов. Для рихтовки можно использовать песчаную пульпу или раствор из песка с добавкой глины, либо другого пластификатора. На подготовительном этапе необходимо прочистить патрубок и канал в прилегающем слое засыпки из щебня. Еще нужно будет разрушить бетон при помощи заостренного пробойника и отбойного молотка. В этом случае расчет необязателен. Для повышения удобства использования патрубка, рекомендуется его прочищать через каждые 1-2 часа после бетонирования. Чтобы поднять основание на нужную высоту, патрубок можно соединить со шлангом, и песчаная пульпа будет закачиваться в щебеночную засыпку.

Такая рихтовка позволяет достичь подъемной силы в 100 т на площадь фундамента в 10 кв. м. Так может быть создана подъемная сила, которая способна выдержать здания любых габаритов и массы.

При рихтовке всего каркаса просевшего здания, фундамент целиком не откапывается, поскольку давление пульпы позволяет преодолеть не только массу здания, но и грунта возле пазухи фундамента. В этом случае следует откапать лишь патрубок. Пространственную рихтовку собранной конструкции можно производить только после того, как установлена опалубка и ее соединения с внутренней конусной оболочкой и конусоподобным каркасом.

Как только будет засыпан пазух фундамента, демонтированы опалубка и кондуктор, а также после затвердения бетона можно произвести безвыверочный монтаж колонны. При опускании колонны следует совместить зубья-фиксаторы с фиксирующими шпильками фланцев. На следующем этапе необходимо заполнить бетоном пространство между фланцами и верхней частью фундамента. Так Вы сможете несколько ослабить нагрузку на внутреннюю конусную оболочку и конусный каркас. Следует отметить, что нижняя часть колонны служит для предотвращения коррозии. Фундамент стальной колонны на практике работает следующим образом. Сжимающая сила передается сверху вниз, так сила сжатия сначала воздействует на внешнюю оболочку через торец фланга, после чего на внутреннюю оболочку.

Монтаж фундамента под колонны является ответственным процессом, который нужно контролировать от начала до конца. Поэтому рекомендуется посоветоваться со специалистами, и предоставить им возможность произвести все необходимые расчеты по установке того или иного основания.

Сравнение залитых и каменных колонн

Методы улучшения грунта бывают разных форм, которые соответствуют характеристикам почвы, для улучшения которой они предназначены, и конструкциям, которые необходимо поддерживать.

Вставка вертикальных колонн в почву для улучшения ее способности поддерживать фундамент — одна из таких форм, и даже она бывает в разных вариантах: каменные колонны (также называемые опорами из заполнителя) являются более часто используемым решением для улучшения грунта, в то время как колонны с цементным раствором — которые подпадают под широкая категория «жестких включений» — предпочтительный выбор, когда почва исключительно слабая.

Ниже мы обсуждаем эти методы улучшения почвы, в том числе описываем их установку и объясняем, почему они были выбраны.

Улучшение грунта залитых колонн

Заливные колонны рекомендуются для очень мягких почв, таких как торф и органические илы. Эти типы грунта исключительно слабые и не обладают прочностью на сдвиг, необходимой для поддержки каменных колонн. Установка каменных колонн в этих слабых почвах почти наверняка приведет к чрезмерной осадке: только при очень мягкой почве, удерживающей камень, колонны раздуваются наружу в прилегающую почву.

В компании Subsurface Constructors мы устанавливаем залитые цементным раствором колонны с использованием вибрационных датчиков, которые перемещают почву, когда они вставляются в землю (отсюда и название этого типа улучшения грунта — вибробетонные колонны или VCC). Затем раствор (смешанный на месте или доставленный на автофургоне) перекачивается через дренажную трубку, соединенную с датчиком. В нижней части вала создается небольшая «луковица» раствора, а затем зонд медленно поднимается по мере заливки раствора, заполняя вертикальную пустоту.

Как и большинство бетонных смесей, VCC полностью затвердевают примерно через 28 дней.Тем не менее, они устанавливаются в течение нескольких часов после их установки, чтобы на следующий день можно было начать дальнейшие работы по фундаменту.

Важно отметить, что платформы для переноса нагрузки (LTP) часто рекомендуются в качестве промежуточного слоя между залитыми цементным раствором колоннами и фундаментными конструкциями или конструкциями любого типа, которые они могут поддерживать (резервуары, земляные насыпи и т. Д.). Без LTP жесткий контакт между залитыми раствором колоннами и опорами увеличивает риск чрезмерного напряжения опоры.LTP обычно состоят из слоев уплотненного камня, переслоенных георешеткой или геотекстилем, и могут иметь толщину от шести до шести футов. Они более равномерно распределяют нагрузку на фундамент по группе залитых раствором колонн.

Каменные колонны (опоры из заполнителя)

Каменные колонны или опоры из заполнителя чаще всего используются для укрепления мягких связных грунтов и обычно могут обеспечивать опорное давление в диапазоне от 4000 до 6000 фунтов на квадратный дюйм. Однако для того, чтобы каменные колонны работали, в существующих грунтах должна быть определенная прочность.

В Subsurface Constructors мы устанавливаем каменные колонны почти так же, как мы делаем VCC. Вибрирующий зонд вытесняет почву наружу по мере того, как она просверливается на желаемую глубину, и камень или другой зернистый материал доставляется на дно скважины сегментами, называемыми «подъемниками». В зависимости от устойчивости существующего грунта, камень можно сбрасывать с поверхности земли (верхняя подача) или трясти до дна ямы (нижняя подача). После каждого подъема вибрирующий зонд уплотняет камень с помощью вибрации и давления вниз.Процесс повторяется до тех пор, пока отверстие не заполнится плотным столбиком заполнителя.

Поскольку мы используем вибрационные датчики при установке опор из заполнителя, мы используем термин «вибро-каменные колонны» или VSC.

Повышение ценности для вас

При прочих равных, каменные колонны обычно являются более дешевым из этих методов улучшения грунта. Но типы почв сильно различаются, поэтому выбор между ними скорее вопрос осуществимости, чем стоимости. Геотехнические подрядчики должны использовать данные о грунте, собранные на месте, чтобы порекомендовать решение, которое уравновешивает то, что лучше всего для чистой прибыли, и то, что гарантирует, что конструкция будет стоять на твердом основании.

В Subsurface Constructors мы имеем обширный опыт работы с различными типами почв, с которыми мы сталкиваемся по всей территории США. Наши инженеры-геотехники стремятся рекомендовать решение высочайшего качества, обеспечивающее максимальную отдачу от работы. Тесное сотрудничество между нашими внутренними проектными и строительными группами гарантирует, что применяемые нами методы улучшения грунта обеспечат прочную основу для остальной части вашего проекта.

Погрузитесь глубже, чтобы получить дополнительную информацию о том, как мы завершили усовершенствование систем VCC и VSC, прочитав наши тематические исследования.Наше руководство по совокупному улучшению грунта пирса — еще один ресурс, который может вам пригодиться. Если у вас есть вопросы или вы хотите поговорить с инженером-геологом о вашем следующем проекте, свяжитесь с нами сейчас.

границ | Моделирование железнодорожных путей на безнапорных фундаментах, армированных каменными колоннами

Введение

В связи с быстрым развитием инфраструктуры во всем мире, использование методов улучшения почвы резко возросло, чтобы повысить пригодность строительных работ на мягких почвах.Повышенная скорость поездов при использовании высокоскоростных железнодорожных транспортных систем может привести к чрезмерной осадке вблизи бедных слоев почвы. В связи с этим в различных тематических исследованиях сообщалось об использовании соответствующих методов улучшения грунта, таких как геосинтетический армирующий слой, каменные колонны, сборные вертикальные водостоки (PVD) и т. Д. (Arulrajah et al., 2009; Zhuang and Wang, 2017; Cui et al. , 2018). Среди доступных методов каменные колонны и геосинтетическое армирование стали более популярными среди инженеров-геологов из-за их общей экономичности и простоты строительства.

Для неармированных фундаментов динамическое взаимодействие поезд-путь-грунт было изучено путем представления системы в виде бесконечной балки, опирающейся на одно- или двухпараметрическую фундаментную систему, подверженную сосредоточенной движущейся нагрузке (Kenney, 1954; Fryba, 1972; Kerr, 1974; Даффи, 1990; Джайсвал, Айенгар, 1997; Маллик и др., 2006; Басу, Рао, 2013). Однако ни одно из этих исследований не рассматривало улучшение грунта и, следовательно, может не подходить в случае слабых пластов. Чтобы решить эту проблему, Махешвари и Хатри (2013) изучали поведение рельсов для улучшенного грунта i.е., геосинтетическая мембрана и композитный фундамент, армированный каменными колоннами.

Многие исследователи провели экспериментальные и численные исследования, чтобы лучше понять эти методы. Экспериментальное исследование, проведенное Raymond (2002) и Indraratna et al. (2015) указали на важность жесткости на изгиб армирующего слоя, которая может быть включена в аналитические модели, идеализировав его как балку. В результате была получена модель с двойной балкой, которая использовалась для моделирования балки покрытия или фундамента, лежащей на улучшенном грунтовом слое геоячейки, подвергающемся статической нагрузке (Maheshwari and Viladkar, 2009; Zhao et al., 2016; Zhang et al., 2018). Другие инженерные системы также были изучены с использованием таких моделей для понимания поведения реакции при движущейся нагрузке с учетом идеального контакта между верхней балкой и соседним материалом (Hussein and Hunt, 2006; Yuan et al., 2009; Auersch, 2012; Mohammadzadeh et al. ., 2014; Deng et al., 2017).

Тем не менее, во всех вышеупомянутых исследованиях считается, что фундаментное основание находится в идеальном контакте с бесконечной балкой. Поскольку грунт по существу реагирует только на сжатие, приведенное выше соображение противоречит реальному сценарию, когда обнаруживается, что рельс имеет тенденцию отрываться от земли как сзади, так и перед приложенной нагрузкой.Некоторые из работ, в которых рассматривается такое поведение без натяжения для неармированных грунтовых пластов, включают Rao (1974), Torby (1975), Lin и Adams (1987), Coşkun (2000), Chen and Chen (2011) и He et al. (2016) среди других. Для армированных земляных пластов Maheshwari et al. (2004, 2005) рассмотрели ненатяжные основы для земляного полотна, армированного геосинтетической мембраной. Бхатра и Махешвари (2019) рассмотрели конечную жесткость геосинтетических материалов на изгиб. Далее Махешвари (2014) изучал эффект включения каменных колонн в такие системы.

Обзор литературы показывает, что, хотя анализ бесконечных балок, подверженных движущейся нагрузке для каменных колонн, уже проводился, совместное применение этого метода с геоячейкой для таких систем еще предстоит изучить. В связи с этим авторы предложили изучить поведение рельсов под действием движущейся нагрузки на композитные грунтовые слои из каменных колонн и геоячеек, которые реагируют только на сжимающие силы. Подробное параметрическое исследование и анализ чувствительности были проведены, чтобы понять влияние расстояния, диаметра и жесткости каменных колонн на реакцию системы.В исследовании также было представлено влияние других параметров, таких как приложенная нагрузка и ее скорость, жесткость верхнего и нижнего слоев почвы, демпфирование, относительная жесткость на изгиб и глубина размещения геоячейки на предлагаемую систему.

При моделировании и анализе системы было сделано несколько предположений: (i) некоторые компоненты, такие как поперечные связи, не могут быть смоделированы с использованием настоящего подхода, (ii) ухудшение свойств геоячейки и гранулированного материала между рельсом и геоячейкой с время не учитывалось, (iii) учтено квазистационарное состояние, (iv) эффект размытия из-за установки каменных колонн не учитывался.Хотя используемый подход имеет несколько ограничений, тем не менее, простой анализ позволяет легче получить общую картину реакции рассматриваемой системы грунт-фундамент. Детальное параметрическое исследование помогает составить представление о влиянии различных параметров и, соответственно, выполнить проектирование пути.

Моделирование

На рис. 1 представлен продольный разрез рельса, лежащего на зернистом мате и улучшенном грунтовом слое из каменной колонны и геоячейки. Рельс, а также композит геоячеек с засыпным грунтом были представлены в виде бесконечных балок с жесткостью на изгиб E ₁ I ₁ , E ₂ I ₂ и массой на единицу длины ρ ₁ , ρ ₂ соответственно.Сопротивление на границе балок с грунтом принято равным нулю. Гранулированный наполнитель был зажат между этими двумя бесконечными балками, имеющими толщину h и модуль сдвига G . Под нижней балкой симметрично размещены каменные колонны диаметром d и шагом s . Приложенная нагрузка Q считается движущейся с постоянной скоростью v . Необходимо определить характеристики балок на изгиб и обсудить влияние различных параметров.

Рисунок 1 . Продольный разрез рельса, опирающегося на композитный армированный грунт столб геоячейки.

Анализ

Концептуальная идеализация физической модели (рис. 2) изображает зернистый мат слоем сдвига Пастернака (Selvadurai, 1979). Сжимаемая природа наполнителя / мата была представлена ​​жесткостью k ₁ . Колонны из бедного грунта и камня были представлены как пружины Винклера жесткостью k ₂ = k _s и k ₂ = k _c соответственно.Коэффициенты вязкого демпфирования c ₁ и c ₂ для верхнего и нижнего слоев почвы, соответственно, также были учтены в анализе. Учтена равномерно распределенная дополнительная нагрузка γ ₁ h по всей длине нижней балки, где h обозначает расположение усиливающей балки относительно верхней балки, а γ ₁ — удельный вес балки. гранулированный наполнитель. Для системы фундамента рельсов очевидно, что при перемещении нагрузки рельс имеет тенденцию подниматься вверх в определенных областях из-за присущей ему жесткости на изгиб, что приводит к его отделению от почвы внизу.Чтобы учесть этот эффект, в анализе были учтены соответствующие условия контакта.

Рисунок 2 . Идеализированное представление проблемы.

Основное дифференциальное уравнение движения, основанное на идеализированной модели для верхней и нижней балок, может быть выражено как: —

E1I1∂4y1∂x4 + ρ1∂2y1∂t2 + j (x, t) [c1∂ (yg − y2) ∂t + k1 (yg − y2) −Gh∂2 (yg − y2) ∂x2] = Q ( х, t) + ρ1g (1)

E2I2∂4y2∂x4 + ρ2∂2y2∂t2 + c2∂y2∂t + k2y2 − j (x, t) [c1∂ (yg − y2) ∂t + k1 (yg − y2) −Gh∂2 (yg− y2) ∂x2] = γ1h + ρ2g (2)

Где отклонения верхней и нижней балки обозначены как y ₁ и y ₂ , соответственно, а отклонение поверхности земли на y _g . g — ускорение свободного падения, и контактная функция j ( x, t ) была включена в уравнения, чтобы представить поведение грунта без натяжения. Также следует отметить, что k ₂ = k _s в области мягких грунтов и k ₂ = k _c в области каменной колонны.

Расстояние между верхней балкой и композитным грунтом фундамента из геоячейки и колонны можно математически выразить как:

Когда y1≥0, j (x, t) = 1 и yg = y1, а когда y1 <0, j (x, t) = 0 и yg = y2} (3)

Решение разработанных уравнений

Чтобы упростить задачу, новая переменная ξ была определена как ξ = x – vt , i.е., расстояние от точки действия нагрузки в квазистационарном состоянии. Уравнения (1) и (2) теперь можно изменить как

E1I1d4y1dξ4 + ρ1v2d2y1dξ2 + j (ξ) [- c1vd (yg − y2) dξ + k1 (yg − y2) −Ghd2 (yg − y2) dξ2] = Q (ξ) + ρ1g (4)

и

E2I2d4y2dξ4 + ρ2v2d2y2dξ2-c2vdy2dξ + k2y2-j (ξ) [- c1vd (yg-y2) dξ + k1 (yg-y2) -Ghd2 (yg-y2) dξ2] = γ1h + ρ2g (5)

Приведенные выше уравнения можно перефразировать, используя безразмерные параметры, указанные ниже:

ξ ^* = ξL; Y1 = y1L; Y2 = y2L; Yg = ygL; ρ1 * = ρ1v2k1L2; ρ2 * = ρ2v2k2L2; I1 * = E1I1k1L4; I2 * = E2I2k2L4; c1 * = c1vk1L; c2 * = c2vk2L; Q * = Qk1L2; G * = Ghk1L2; w1 * = ρ1gk1L; w2 * = ρ2gk2L; γ1 * = γ1k2; H = hL; r = k1k2; R = E1I1E2I2 и α = kcks, где L — половина длины балки.Таким образом, обобщенные дифференциальные уравнения (4) и (5) в безразмерной форме могут быть выражены как:

d4Y1dξ * 4 + ρ1 * I1 * d2Y1dξ * 2 + j (ξ *) I1 * [(Yg − Y2) −c1 * d (Yg − Y2) dξ * −G * d2 (Yg − Y2) dξ * 2] = Q * (ξ *) I1 * dξ * + w1 * I1 * (6)

и

d4Y2dξ * 4 + ρ2 * I2 * d2Y2dξ * 2 − c2 * I2 * dY2dξ * + Y2I2 * −j (ξ *) rI2 * [(Yg − Y2) (7) −c1 * d (Yg − Y2) dξ * — G * d2 (Yg − Y2) dξ * 2] = w2 * I2 * + γ1 * HI2 *

Уравнения (6) и (7) дискретизируются для внутреннего узла и с использованием метода конечных разностей и могут быть записаны как:

Y1, i = 1A2 [Q * (Δξ *) 3I1 * + w1 * (Δξ *) 4I1 * — (Y1, i + 2 + A1Y1, i + 1 + A1Y1, i − 1 + Y1, i − 2 + A3Y2 , i + 1 + A4Y2, i + A5Y2, i − 1 + A6Yg, i + 1 + A7Yg, i + A8Yg, i − 1)] (8)

и

Y2, i = 1B2 [γ1 * H (Δξ *) 4I2 * + w2 * (Δξ *) 4I2 * — (Y2, i + 2 + B1Y2, i + 1 + B3Y2, i − 1 + Y2, i − 2 + B4Yg, i + 1 + B5Yg, i + B6Yg, i − 1) Q * (Δξ *) 3I1 *] (9)

Где,

A1 = 1I1 * [- 4I1 * + ρ1 * (Δξ *) 2]; A2 = 1I1 * [6I1 * −2ρ1 * (Δξ *) 2]; A3 = j (ξ *) I1 * [0.5c1 * (Δξ *) 3 + G * (Δξ *) 2]; A4 = j (ξ *) I1 * [- (Δξ *) 4−2G * (Δξ *) 2]; A5 = j (ξ *) I1 * [- 0,5c1 * (Δξ *) 3 + G * (Δξ *) 2]; A6 = j (ξ *) I1 * [- 0,5c1 * (Δξ *) 3 − G * (Δξ *) 2] ; A7 = j (ξ *) I1 * [(Δξ *) 4 + 2G * (Δξ *) 2]; A8 = j (ξ *) I1 * [0.5c1 * (Δξ *) 3 − G * (Δξ * ) 2]; B1 = 1I2 * [- 4I2 * + ρ2 * (Δξ *) 2−0.5c2 * (Δξ *) 3 −j (ξ *) r {0.5c1 * (Δξ *) 3 + G * (Δξ *) 2}]; B2 = 1I2 * [6I2 * −2ρ2 * (Δξ *) 2+ (Δξ *) 4 + j (ξ *) r {(Δξ *) 4 + 2G * (Δξ *) 2}] ; B3 = 1I2 * [- 4I2 * + ρ2 * (Δξ *) 2 + 0.5c2 * (Δξ *) 3 + j (ξ *) r {0.5c1 * (Δξ *) 3 − G * (Δξ *) 2 }]; B4 = j (ξ *) rI2 * [0.5c1 * (Δξ *) 3 + G * (Δξ *) 2]; B5 = j (ξ *) rI2 * [- (Δξ *) 4−2G * (Δξ *) 2]; B6 = j (ξ *) rI2 * [- 0,5c1 * (Δξ *) 3 + G * (Δξ *) 2]

Математические выражения в уравнении (3) можно изменить как:

Для Y1, i≥0, j (ξ *) = 1 и Yg, i = Y1, i, а когда Y1, i <0, j (ξ *) = 0 и Yg, i = Y2, i} (10)

Граничные условия

Длина лучей считается такой, что они ведут себя как бесконечный луч (Selvadurai, 1979).Граничные условия были приняты согласно Власову и Леонтьеву (1966), чтобы получить решение развитой системы уравнений. Граничные условия в безразмерной форме были представлены как:

Для верхней балки

d3Y1dξ * 3 − G * I1 * d (Yg − Y2) dξ * = 0d2Y1dξ * 2 = 0} (11)

Для нижней балки

d3Y2dξ * 3 + rG * I2 * d (Yg − Y2) dξ * = 0d2Y2dξ * 2 = 0} (12)

Исследование сходимости и подробные сведения о входных параметрах

На основе установленной выше математической модели был разработан компьютерный код.Вся протяженность системы путь-фундамент (- L ≤ x ≤ L ) была дискретизирована с использованием метода конечных разностей. Было обнаружено, что существует незначительное изменение (<1-2%) в профиле отклонения при увеличении количества узлов с 5 001 до 8 001 узла. Следовательно, для анализа была рассмотрена сетка с 5001 узлом. Коэффициент допуска был определен равным 10 ⁻⁶ для анализа, основанного на исследовании сходимости.

Диапазон параметров был принят в соответствии с условиями индийских железнодорожных путей, и рассматриваемые значения приведены в таблице 1.Величина вязкого демпфирования ( c ₁ и c ₂ ) была рассчитана с помощью следующих выражений:

c1 = 2ζ1k1ρ1 и c2 = 2ζ2k2ρ2 (13)

Таблица 1 . Входные параметры.

Результаты и обсуждение

Проверка

В связи с отсутствием экспериментальных данных в существующей литературе для целей валидации, то же самое было сделано путем сравнения результатов с данными Hussein and Hunt (2006).Последний обсудил и проанализировал модель пути с плавающей плитой, чтобы определить поведение отклика и критическую скорость системы с помощью метода преобразования Фурье. В ходе исследования был получен график зависимости смещения рельсов от скорости приложенной нагрузки для следующего набора параметров: E ₁ I ₁ = 10 × 10 ⁶ Нм ² , E ₂ I ₂ = 1,430 × 10 ⁶ Нм ² , ρ ₁ = 100 кг / м, ρ ₂ = 3500 кг / м, k ₁ = 40 × 10 ⁶ Н / м ² , k ₂ = 50 × 10 ⁶ Н / м ² , ζ ₁ = ζ ₂ = 5%, как считается Хусейн и Хант (2006), чтобы оценить критическую скорость системы.Чтобы проверить предложенную формулировку, отклик, полученный в ходе текущего исследования для аналогичных условий, был нанесен на график, и было обнаружено хорошее согласие между результатами, как показано на Рисунке 3. Таким образом, подтверждается принятая техника решения и методология.

Рисунок 3 . Проверка.

Когда верхняя балка поднимается с поверхности земли из-за отсутствия натяжения фундамента, отклонение в направлении вверх принимается как отрицательное отклонение для представления всех результатов.

Улучшение грунта

Влияние включения каменной колонны на профиль прогиба верхней балки для параметров: Q = 175 кН, v = 36 м / с, k ₁ = 150 МН / м ³ , r = 10, E ₁ I ₁ = 4470 кН-м ² , R = 3000, G = 650 кН / м ² , γ = 18 кН / м ³ , ρ ₁ = 60 кг / м, ρ ₂ = 43 кг / м, ζ = 10%, ч = 0.15 м, α = 25, s / d = 2,5 и d / L = 0,004 показано на рисунке 4. Было замечено, что максимальное безразмерное отклонение верхней балки уменьшается на 58%, что указывает на существенное улучшение. земляного полотна при включении каменных колонн. Кроме того, подъем верхней балки увеличился на 33% из-за включения каменных колонн.

Рисунок 4 . Прогиб верхней балки: эффект включения каменной колонны.

Влияние ненапряженной природы основания

На рисунке 5 представлено сравнение нормализованных профилей прогиба верхней балки для случая ненатяжного фундамента и случая идеального контакта (т.е.е. фундамент реагирует как на сжатие, так и на растяжение). Значения рассматриваемых параметров указаны на рисунке. Было обнаружено, что максимальное нормализованное отклонение вниз изменяется незначительно, показывая увеличение с 1,72 × 10 ⁻⁵ до 1,79 × 10 ⁻⁵ , то есть всего на 4%, когда считается, что земляной слой реагирует только на сжатие. Тем не менее, максимальное нормализованное отклонение вверх было значительно затронуто из-за того, что поведение фундамента без растяжения показало увеличение с 3.6 × 10 ⁻⁷ до 8,3 × 10 ⁻⁶ . Очевидно, что при рассмотрении поведения основания фундамента без растяжения максимальное нормализованное отклонение вверх сильно влияет по сравнению с максимальным нормализованным отклонением вниз. В связи с этим при анализе таких систем следует учитывать поведение грунта без натяжения.

Рисунок 5 . Отклонение верхней балки для идеального контакта с корпусом фундамента без натяжения.

Параметрическое исследование

Величина подвижной нагрузки (

Q )

На рисунках 6, 7 показано влияние величины подвижной нагрузки на прогиб и профили изгибающего момента верхней балки, соответственно, для входных параметров, указанных на рисунках.Было обнаружено, что максимальное отклонение вниз и вверх уменьшается на 60 и 83%, соответственно, при изменении величины подвижной нагрузки от 250 до 100 кН. Кроме того, для того же изменения наблюдалось уменьшение на 61% и 51% для максимального положительного и отрицательного изгибающего момента в верхней балке.

Рисунок 6 . Прогиб верхней балки при различных величинах приложенной нагрузки.

Рисунок 7 . Профиль изгибающего момента верхней балки для различных значений приложенной нагрузки.

При дальнейшем исследовании с тем же набором входных значений было обнаружено, что верхняя балка начинает отрываться от земли при более низком значении Q = 68 кН с включением каменных колонн. Без каменной колонны начало отслоения наблюдалось при более высоком значении, Q = 124 кН, что может быть связано с уменьшенной жесткостью системы, которая допускала больший прогиб вниз верхней балки.

Относительная сжимаемость грунта (

r )

На рис. 8 показан результат изменения относительной сжимаемости грунта на профиле прогиба верхней балки.Было обнаружено, что увеличение максимального отклонения верхней балки вниз и вверх на 48 и 12% соответственно соответствует увеличению отношения r с 5 до 20. Из этих результатов можно сделать вывод, что отклонение вниз верхней балки верхняя балка больше подвержена влиянию вышеуказанного отклонения по сравнению с отклонением вверх, которое дополнительно обсуждалось в ходе анализа чувствительности.

Рисунок 8 . Профиль прогиба верхней балки при различных значениях r .

Относительная жесткость каменных колонн (α)

Профиль прогиба верхней балки для различных значений α представлен на рисунке 9. При увеличении α от 10 до 100 максимальное отклонение вниз уменьшилось на 25%, тогда как максимальное отклонение вверх увеличилось на 22%. . Было замечено, что для более высокого приращения α, т.е. от 50 до 100, уменьшение максимального отклонения вниз составляет всего 4% по сравнению с уменьшением на 16%, когда α увеличивается с 10 до 25.Для аналогичного изменения наблюдалось увеличение на 2 и 14% соответственно для максимального отклонения вверх. Из этих наблюдений можно сделать вывод, что при более высоком значении α влияние его приращения на прогиб уменьшается.

Рисунок 9 . Профиль прогиба верхней балки для различных значений α.

Конфигурация каменных колонн

Влияние изменения расстояния при определенном диаметре на профиль отклонения верхней балки показано на рисунке 10A.При изменении отношения s / d от 3,5 до 2 максимальное отклонение вниз и вверх уменьшилось на 50 и 75% соответственно. Это уменьшение прогиба в обоих направлениях оправдано, поскольку количество каменных колонн увеличивается при уменьшении отношения s / d .

Рис. 10. (A) Прогиб верхней балки при различных значениях s / d . (B) Прогиб верхней балки для различных значений d / L .

На рисунке 10B показано влияние изменения диаметра каменных колонн на профиль прогиба верхней балки для набора входных значений, указанных на рисунке.Было обнаружено, что максимальное отклонение вниз и вверх номинально уменьшается на 1,5 и 7% соответственно, когда отношение d / L увеличивается с 0,0008 до 0,0016. Однако при дальнейшем увеличении отношения d / L до 0,0048 и 0,008 максимальные значения прогиба увеличиваются на 58 и 80% соответственно. Это может быть связано с тем, что теперь достаточное количество мягкого грунтового материала заменено более жесткими каменными колоннами, и, несмотря на уменьшение количества каменных колонн, прогибы уменьшаются при увеличении диаметра каменных колонн.

Относительная жесткость балок при изгибе (

R )

На рисунке 11 показано влияние относительной жесткости балок на изгиб на профиль прогиба верхней балки для рассматриваемого набора входных параметров. Было обнаружено, что максимальное отклонение вниз и вверх уменьшается на 28% и 66% при увеличении передаточного числа, R с 2400 до 5400. Это уменьшение может быть связано с тем, что более высокие значения R обозначают меньшую гибкость верхней балки и, следовательно, меньшие отклонения.

Рисунок 11 . Прогиб верхней балки при разных значениях R .

Глубина установки нижней балки (

ч )

На рисунке 12 показано влияние расположения нижней балки на профиль отклонения верхней балки. Было замечено, что изменение глубины нижней балки оказывает существенное влияние на отклонение вверх по сравнению с отклонением вниз, на которое оказывается незначительное влияние. Поскольку расположение нижней балки было изменено от 0.05 до 0,45 м максимальное отклонение верхней балки вверх уменьшилось на 29%. Также было замечено, что область разделения между верхней балкой и землей уменьшается при опускании нижней балки до h = 0,57 м, за которой между ними возникает идеальный контакт.

Рисунок 12 . Прогиб верхней балки при разной глубине размещения нижней балки.

Скорость приложенной нагрузки (

v )

На рисунке 13 показано влияние скорости движущейся нагрузки на профиль прогиба верхней балки.Максимальное отклонение вниз верхней балки увеличилось всего на 3% из-за изменения скорости нагрузки от 0 до 80 м / с. Однако максимальное отклонение вверх увеличивается на 7%, когда v увеличивается с 0 до 40 м / с, и увеличивается до 22% при увеличении скорости груза до 80 м / с.

Рисунок 13 . Прогиб верхней балки при разных скоростях приложенной нагрузки.

Коэффициент демпфирования (ζ)

При более низкой скорости было замечено, что на изгиб балок не влияет изменение коэффициентов демпфирования.При более высоких значениях скорости ( v = 85 км / ч) при изменении коэффициента демпфирования от 0 до 25% максимальное отклонение вверх увеличивается на 8%. Тем не менее, максимальное отклонение вниз верхней балки все еще не зависит от изменения. Ввиду номинального влияния здесь это не изображено.

Исследование чувствительности

На рисунках 14A, B показан типичный график анализа чувствительности для максимального отклонения верхней балки вниз и вверх, соответственно, для следующих входных значений: Q = 175 кН, v = 36 м / с, k ₁ = 150 МН / м ³ , r = 10, E ₁ I ₁ = 4470 кН-м ² , R = 3000, G = 650 кН / м ² , γ = 18 кН / м ³ , ρ ₁ = 60 кг / м, ρ ₂ = 43 кг / м, ζ = 10%, h = 0.15 м, α = 25, с / д = 2,5 и д / л = 0,004. Для исследования были получены максимальные значения прогиба верхней балки в обоих направлениях для каждого отклонения ± 20 и ± 10% от средних значений. Эти отклики были взвешены относительно максимального отклонения в любом направлении для среднего значения соответствующих параметров. Было замечено, что максимальное отклонение верхней балки вверх существенно чувствительно к большему количеству параметров по сравнению с ее максимальным отклонением вниз.Однако было обнаружено, что чувствительность максимального отклонения вниз больше связана с относительной сжимаемостью почвы и относительной жесткостью каменной колонны по сравнению с ее аналогом. Было обнаружено, что конфигурация каменных колонн является одним из наиболее влиятельных параметров, влияющих на реакцию системы грунт-фундамент.

Рисунок 14 . Анализ чувствительности: (A) отклонение вниз, (B) отклонение верхней балки вверх.

Практическая значимость

Практик может учесть входные значения, соответствующие условиям на месте, и определить значения прогиба и изгибающего момента рельсов.В обстоятельствах, когда эта деформация превышает допустимые значения в соответствии с требуемыми характеристиками пути (Beranek, 2000), безразмерные диаграммы, основанные на параметрическом исследовании, могут использоваться для рассмотрения соответствующих характеристик улучшения, таких как подходящие конфигурации камня. колонн, глубины размещения и жесткости слоя геоячеек, толщины зернистого слоя и т. д., чтобы результирующий отклик рельсов находился в допустимых пределах.

В дополнение к этому, чувствительность прогиба рельса к изменению различных параметров была подчеркнута во время анализа чувствительности, что дает представление о влиянии этого конкретного параметрического изменения на реакцию рельса.

Выводы

Было предложено исследование для анализа комбинированного воздействия каменной колонны и улучшенных слоев геоячеек для рельсов, лежащих над ними, подверженных действующей точечной нагрузке. Поведение земляных пластов без напряжения было смоделировано и включено в анализ. По результатам можно сделать следующие выводы:

(i) Включение каменных колонн привело к уменьшению максимального прогиба вниз верхней балки на 58%, что свидетельствует о значительном улучшении с точки зрения осадки.

(ii) Начало разделения между верхней балкой и поверхностью земли наблюдалось при более низком значении Q = 68 кН из-за повышенной жесткости фундамента при включении каменных колонн.

(iii) Заметное увеличение максимального отклонения вниз верхней балки на 48% наблюдалось при увеличении относительной сжимаемости слоев грунта с r = 5 до 20. Соответствующее приращение максимального отклонения вверх оказалось только 12%.

(iv) Значительное уменьшение максимального отклонения вверх и вниз наблюдалось при изменении s / d от 3,5 до 2. В случае изменения диаметра каменных колонн эти отклонения сначала уменьшаются, а затем увеличиваются. когда d / L изменяется от 0,0008 до 0,008 в зависимости от того, преобладает ли явление замещения почвы более грубым материалом или уменьшение количества каменных колонн.

(v) Максимальный прогиб верхней балки вверх снижается на 66% при увеличении относительной жесткости на изгиб, R с 2400 до 5400.

(vi) Для верхней балки изменение положения нижней балки от h = 0,05 до 0,45 м приводит к уменьшению максимального отклонения вверх на 29%. Кроме того, было обнаружено, что область отрыва между верхней балкой и землей уменьшается при увеличении глубины размещения нижней балки до тех пор, пока не будет достигнут идеальный контакт.

(vii) Было обнаружено, что максимальное отклонение верхней балки вверх увеличивается на 22% по сравнению с начальным приращением 7% при увеличении скорости до 80 м / с.

(viii) Проведенный анализ чувствительности показал, что максимальное отклонение верхней балки вверх исключительно чувствительно к изменению большинства параметров по сравнению с максимальным отклонением вниз, за ​​исключением случая относительной сжимаемости грунта и относительной жесткости каменных колонн.

Заявление о доступности данных

Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в файлы рукописи / дополнительные файлы.

Взносы авторов

PM сформировал идею и алгоритм работы.SB разработала компьютерную программу, реализовала алгоритм и провела детальное параметрическое исследование. Все авторы просмотрели и приняли окончательную версию.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Арулраджа А., Абдулла А., Бо М. В. и Буазза А. (2009). Приемы благоустройства железнодорожных насыпей. Proc. Inst. Civil Eng. Земляная импровизация. 162, 3–14. DOI: 10.1680 / grim.2009.162.1.3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ауэрш Л. (2012). Динамическое поведение дорожек перекрытий на однородных и слоистых грунтах и ​​снижение вибрации грунта за счет плавающих дорожек плит. J. Eng. Мех . 138, 923–933. DOI: 10.1061 / (ASCE) EM.1943-7889.0000407

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Басу Д. и Рао Н. С. В. К. (2013). Аналитические решения для балки Эйлера — Бернулли на вязкоупругом основании, подверженного движущейся нагрузке. Внутр. J. Числовой анализ. Методы Геомех . 37, 945–960. DOI: 10.1002 / nag.1135

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Беранек, Д. А. (2000). Технические инструкции: проектирование и реконструкция железных дорог. ТИ 850-02, ВВС AFMAN 32-1125 (I) . Вашингтон, округ Колумбия: Инженерно-строительный отдел, Инженерный корпус армии США.

Google Scholar

Бхатра, С., и Махешвари, П. (2019). Двухбалочная модель для армированного ненатяжного фундамента под движущимися нагрузками. KSCE J. Civil Eng . 23, 1600–1609. DOI: 10.1007 / s12205-019-1609-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен, Дж. С., и Чен, Ю. К. (2011). Устойчивость и устойчивость балки на демпфирующем ненатяжном основании под действием движущейся нагрузки. Внутр. Дж. Нелинейный механизм . 46, 180–185. DOI: 10.1016 / j.ijnonlinmec.2010.08.007

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джошкун И. (2000). Нелинейные колебания балки, покоящейся на ненатяжном основании Винклера. J. Sound Vib. 236, 401–411. DOI: 10.1006 / jsvi.2000.2982

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цуй, X., Чжуан, Ю., Ху, К., Лю, Х., и Чиу, К. Ф. (2018). Улучшение мягких оснований под систему скоростного трамвая. Soil Mech. Нашел. Eng . 55, 181–189. DOI: 10.1007 / s11204-018-9523-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дас, Б. М. (1999). Принципы фундаментальной инженерии, 4-е изд. . Бостон, Массачусетс: PWS Publishing.

Google Scholar

Дэн, Х., Чен, К., Ченг, В., и Чжао, С. (2017). Анализ вибрации и продольного изгиба двухфункциональной балочной системы Тимошенко на упругом основании Винклера-Пастернака. Составная конструкция . 160, 152–168. DOI: 10.1016 / j.compstruct.2016.10.027

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Даффи, Д. Г. (1990). Реакция бесконечного железнодорожного полотна на движущуюся вибрирующую массу. J. Appl. Мех. Div. ASME 57, 66–73.DOI: 10.1115 / 1.2888325

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фрыба, Л. (1972). Вибрация твердых тел и конструкций под движущимися нагрузками . Лондон: Thomas Telford Ltd.

Google Scholar

Хе Г., Ли Х. и Лу Р. (2016). Нелинейный МКЭ верхней балки, опирающейся на ненатяжное основание с трением. Геомечан. Eng . 11, 95–116. DOI: 10.12989 / gae.2016.11.1.095

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хусейн, М.Ф. М. и Хант, Х. Э. М. (2006). Моделирование путей с плавающими плитами со сплошными плитами при колебательных движущихся нагрузках. J. Звуковая вибрация 297, 37–54. DOI: 10.1016 / j.jsv.2006.03.026

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Индраратна Б., Биабани М. М. и Нимбалкар С. (2015). Поведение подбалласта, армированного геоячейками, при циклическом нагружении в условиях плоской деформации. J. Geotech. Geoenv. Англ. 141, 04014081-1–16. DOI: 10.1061 / (ASCE) GT.1943-5606.0001199

CrossRef Полный текст | Google Scholar

IS 15284 (Часть 1) (2003). Проектирование и строительство для благоустройства территории — Методические указания. Часть 1 Колонны каменные . Нью-Дели: Бюро индийских стандартов.

Google Scholar

Джайсвал, О. Р., и Айенгар, Р. Н. (1997). Динамический отклик железнодорожных путей на колебательные движущиеся массы. J. Eng. Мех. Div. ASCE 123, 753–757. DOI: 10.1061 / (ASCE) 0733-9399 (1997) 123: 7 (753)

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кенни, Дж.Т. младший (1954). Установившиеся колебания балки на упругом основании для движущейся нагрузки. J. Appl. Мех. Div. ASME 21, 359–364.

Google Scholar

Керр А. Д. (1974). Анализ напряжений и устойчивости железнодорожных путей. J. Appl. Мех. Div. ASME 41, 841–848. DOI: 10.1115 / 1.3423470

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лин, Л., Адамс, Г. Г. (1987). Балка на ненатяжном упругом основании. J. Eng. Мех. ASCE 113, 542–553.DOI: 10.1061 / (ASCE) 0733-9399 (1987) 113: 4 (542)

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Махешвари П. (2014). Бесконечные балки на каменной колонне укрепляли ненатяжные грунтовые слои под движущимися нагрузками. Внутр. J. Geotech. Eng . 8, 21–25. DOI: 10.1179 / 1938636213Z.00000000058

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Махешвари П., Чандра С. и Басудхар П. К. (2004). Реакция балок на растяжимый геосинтетический грунт без натяжения, подверженный движущимся нагрузкам. Comput. Геотек . 31, 537–548. DOI: 10.1016 / j.compgeo.2004.07.005

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Махешвари П., Чандра С. и Басудхар П. К. (2005). Устойчивый отклик балок на систему без натяжения армированного геосинтетическим материалом гранулированный грунт — мягкий грунт, подверженный движущимся нагрузкам. Найдено почв . 45, 11–18. DOI: 10.3208 / sandf.45.5_11

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Махешвари П., Хатри С. (2013).Реакция бесконечных балок на усиленный геосинтетическим материалом зернистый слой над мягким грунтом с каменными колоннами при движущихся нагрузках. Внутр. J. Geomech. ASCE 13, 713–728. DOI: 10.1061 / (ASCE) GM.1943-5622.0000269

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Махешвари П. и Виладкар М. Н. (2009). Математическая модель балок на геосинтетическом армированном грунте при ленточном нагружении. Заявл. Математика. Модель. 33, 1803–1814. DOI: 10.1016 / j.apm.2008.03.009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Маллик, А.К., Чандра, С., Сингх, А. Б. (2006). Установившаяся реакция бесконечной балки с упругой опорой на движущуюся нагрузку. J. Sound Vib. 291, 1148–1169. DOI: 10.1016 / j.jsv.2005.07.031

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мохаммадзаде, С., Эсмаили, М., и Мехрали, М. (2014). Динамический отклик двойной балки опирался на стохастический фундамент под действием гармонической движущейся нагрузки. Внутр. J. Числовой анализ. Методы Геомех . 38, 572–592. DOI: 10.1002 / nag.2227

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рао, Н. С. В. К. (1974). Начало отслоения балки от ненатяжного основания из-за движущихся нагрузок. J. Appl. Мех. Div. ASME 41, 303–305. DOI: 10.1115 / 1.3423257

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Раймонд, Г. П. (2002). Усиленный балласт при многократной нагрузке. Геотекстиль Geomembr . 20, 39–61. DOI: 10.1016 / S0266-1144 (01) 00024-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сельвадурай, А.П. С. (1979). Упругий анализ взаимодействия грунта и фундамента . Амстердам, Нидерланды: Научная издательская компания Elsevier.

Google Scholar

Шаху, Дж. Т., Юдхбир и Камешвара Рао, Н. С. В. (2000). Рациональный метод проектирования фундамента железнодорожного пути. почв найдено. 40. 1–10. DOI: 10.3208 / sandf.40.6_1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Торби, Б. Дж. (1975). Прогиб возникает в результате перемещения нагрузок на балку, которая опирается на упругое основание, реагирующее только на сжатие. J. Appl. Механика. Div. ASME 42, 738–739. DOI: 10.1115 / 1.3423677

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Власов В. З., Леонтьев У. Н. (1966). Балки, пластины и оболочки на упругих основаниях, Израильская программа научных переводов. Иерусалим: Израильская программа научных переводов.

Google Scholar

Вучетич М. и Добрый Р. (1991). Влияние пластичности почвы на циклический отклик. J. Geotech. Англ.ASCE 117, 89–107. DOI: 10.1061 / (ASCE) 0733-9410 (1991) 117: 1 (89)

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Юань, Дж., Чжу, Ю. и Ву, М. (2009). Вибрационные характеристики и эффективность путевой системы плавающих плит. Дж. Расчет . 4, 1249–1254. DOI: 10.4304 / jcp.4.12.1249-1254

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhang, L., Ou, Q., and Zhao, M. (2018). Двухбалочная модель для анализа характеристик конструкции дорожного покрытия на насыпи, армированной геоячейками. J. Eng. Мех . 144, 06018002-1–7. DOI: 10.1061 / (ASCE) EM.1943-7889.0001453

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжао, Л. С., Чжоу, В. Х., Фатахи, Б., Ли, X., и Бинь Юэнь, К. В. (2016). Модель с двумя балками для армированного геосинтетическим материалом гранулированного материала на упругом основании. Заявл. Математика. Модель. 40, 9254–9268. DOI: 10.1016 / j.apm.2016.06.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжуан Ю. и Ван К. (2017). Численное моделирование фундамента скоростной железной дороги, усовершенствованное методом PVD-DCM и сопоставленное с натурными измерениями. Eur. J. Env. Гражданский Eng . 21, 1363–1383. DOI: 10.1080 / 19648189.2016.1170728

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Список обозначений

(PDF) Расчетные характеристики фундаментов каменных колонн

ССЫЛКИ

Абоши, Х., Ишимото, Э., Эноки, М. и Харада, К. (1979). Метод

Compozer для улучшения характеристик мягких глин путем включения

песчаных столбов большого диаметра. Материалы международной конференции

по армированию грунтов: Армированный грунт

и другие методы, Париж, Vol.1. С. 211–216.

Ахмади, М. М. и Робертсон, П. К. (2004). Калибровочная камера

размер и граничные эффекты для измерений qc CPT. Proc. 2-й

Внутр. Конф. по геотехническим и геофизическим характеристикам участка —

tion, Porto 1, 829–834.

Аламгир М., Миура Н. и Мадхав М. Р. (1994). Анализ камня

столб армированный грунтом. II: Передача напряжения от каменной колонны

к грунту. Доклады факультета естественных наук и инженерии, Университет Сага

, Япония 22, No.1, 111–118.

Андерсон, В. Ф., Пира, И. К. и Фрайер, С. (1991). Глиняная калибровочная камера

для испытаний полевых устройств. Геотех. Тестовое задание. J.14, No. 4,

440–450.

Валаам Н. П. и Букер Дж. Р. (1981). Анализ жестких плотов

, поддерживаемых зернистыми сваями. Int. J. Numer. Анальный. Методы

Geomech.5, No. 4, 379–403.

Валаам, Н. П., Поулос, Х. Г. и Браун, П. Т. (1977). Пос.

Анализ мягких глин, армированных зернистыми сваями.Proc.

5-я Конференция Юго-Восточной Азии. по инженерии почвы, Бангкок 1, 81–91.

Барксдейл Р. Д. и Бахус Р. К. (1983). Проектирование и строительство

каменных колонн, Отчет № FHWA / RD-83/026. Springfield,

VA: Национальная служба технической информации.

Блэк, Дж. А. (2007). Расчетная характеристика опоры

, опирающейся на мягкую глину, армированную вибрирующими каменными колоннами.

Докторская диссертация, Королевский университет Белфаста.

Черный, J., Сивакумар В. и Мадхав М. (2007a). Армированный камень

колонны в слабых отложениях: исследование лабораторной модели. J. Geotech.

Geoenviron. Engng ASCE 133, No. 9, 1154–1161.

Блэк, Дж., Сивакумар, В. и МакКинли, Дж. (2007b). Выполнение

образцов глины, армированных вертикальными зернистыми колоннами. Жестяная банка.

Геотек. J.44, No. 1, 89–95.

Чарльз Дж. А. и Уоттс К. А. (1983). Сжимаемость мягкой глины

, армированной каменными колоннами.Proc. 8 евро. Конф. Soil Mech.

Найдено. Engng, Helsinki, 347–352.

Иган Д., Скотт В. и МакКейб Б. А. (2008). Наблюдается установка

эффектов виброзамещения каменных колонн в мягкой глине. Proc.

2-й внутр. Семинар по геотехнике мягких грунтов: фокус на

Улучшение грунта, Глазго, 23-29.

Hu, W. (1995). Физическое моделирование группового поведения камня

фундаментов колонн. Кандидатская диссертация, Университет Глазго.

Хьюз, Дж. М. О. и Уизерс, Н. Дж. (1974). Армирование мягких связных грунтов

каменными колоннами. Ground Engng 7, No. 3, 42–49.

Хьюз, Дж. М. О., Уизерс, Н. Дж. И Гринвуд, Д. А. (1975). Полевые испытания

по укреплению каменного столба в грунте.

Ge

«Техника 25, № 1, 31–44, DOI: 10.1680 / geot.1975.25.1.31.

МакКейб, Б.А., Ниммонс, Дж. Дж. И Иган, Д. (2009). Обзор полевых характеристик каменных колонн

в мягких грунтах.Proc. Instn Civ.

Энгрс Геотек. Engng 162, No. 6, 323–334.

Маккелви, Д. (2002). Выполнение вибро каменной колонны

армированного фундамента в глубоком слабом грунте. Кандидатская диссертация, Королевский

Университет Белфаста.

Маккелви Д., Сивакумар В., Белл А. и Грэм Дж. (2004).

Моделирование колонн из вибрированного камня из мягкой глины. Proc. Instn Civ.

Энгрс Геотек. Engng 157, No. 3, 137–149.

Мензис, Б. К. (1976).Обсуждение: Проектирование, изготовление и выполнение

устройства боковой деформации. Ge

«Техника 26, № 3,

542– 544, DOI: 10.1680 / geot.1976.26.3.542.

Мейерхоф, Г. Г. (1976). Несущая способность и осадка свайного фундамента

. J. Geotech. Engng Div. ASCE 102, No. 3, 195 —

228.

Navaneethan, T. (2003). Предпусковые характеристики и давление грунта

Коэффициент

переуплотненных глин. Кандидатская диссертация, Королевский университет

, Белфаст.

Прибе, Х. Дж. (1995). Конструкция с заменой вибро. Земля

Ангнг 28, № 10, 31–37.

Поулос, Х. Г. (1968). Анализ осадки свайных групп.

Ge

«Техника 18, № 4, 449–471, DOI: 10.1680 / geot.1968.18.

4.449.

Поулос, Х. Г. и Маттес, Н. С. (1974). Осадка опорных групп свай

на более жесткие пласты. J. Geotech. Engng Div. ASCE 100, №

2, 185–190.

Пулко, Б.И Majes, Б. (2005). Простой и точный прогноз

поселений из армированного каменными столбами грунта. Proc. 16-й Int.

конф. Soil Mech. Геотех. Энгнг, Осака 3, 1401–1404.

Раджу В. Р. (1997). Поведение очень мягких грунтов улучшено за счет замены

вибро. Протоколы конференции по благоустройству земли

, Лондон, стр. 253–259.

Роу, П. У. и Барден, Л. (1966). Новая ячейка консолидации.

Ge

Техника 16, No.2, 162–170, DOI: 10.1680 / geot.1966.16.

2.162.

Слокомб Б. К., Белл А. Л. и Баез Дж. И. (2000). Уплотнение

сыпучих грунтов виброметодом. Ge

«Техника 50, № 6,

715–725, DOI: 10.1680 / geot.2000.50.6.715.

Ватт, К. С., Джонсон, Д., Вуд, Л. А. и Саади, А. (2000). Инструментальное испытание

опорной полосы

фундаментов с виброобработкой грунта с переменным заполнением. Ге

«Техника 50, №6, 699–708,

doi: 10.1680 / geot.2000.50.6.699.

Ватт, К. С. и Серридж, К. Дж. (2000). Испытание вибро-донной обработки каменных столбов

в мягком глинистом грунте. В «Затирка, почва»

Улучшение

: Геосистемы, включая армирование (ред. Х. Рат-

Майер), стр. 549–556. Хельсинки: Building Information Ltd.

Wood, DM, Hu, W. & Nash, DFT ( 2000). Групповые эффекты в фундаментах каменных колонн

: модельные испытания. Ге

«Техника 50, №6,

689–698, DOI: 10.1680 / geot.2000.50.6.689.

As40%, одиночный

As28%, одиночный

As40%, ⫽группа

As28%, группа

As40%, группа *

As28%, группа * ⫽

1

2

3

4

5

6

7

8

Коэффициент улучшения поселения, n

0510 15 20 25

L d / ratio

Рис. группа

столбцов; обозначения L / d в зависимости от диаметра группы, dg

0246 8 10 12 14 16 18

Расчетное значение: мм

Давление: кПа

0

50

100

150

200

250 300

250

200

250

350

400

450

500

550

600 PT2, TS-14

PT1, TS-14

PT2, TS-13

PT1, TS-13

Рис.19. Давление, зарегистрированное под фундаментом в групповой конфигурации —

922 РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФУНДАМЕНТОВ КАМЕННОЙ КОЛОННЫ

Загружено [УНИВЕРСИТЕТ ШЕФФИЛДА] [29.12.17]. Copyright © ICE Publishing, все права защищены.

Теория консолидации композитного фундамента из каменных колонн при многоступенчатом нагружении

Теории консолидации, учитывающие мгновенную нагрузку, не могут полностью раскрыть механизм консолидации композитного фундамента из каменных колонн, используемого в насыпях скоростных автомагистралей, из-за временного эффекта нагрузки; То есть насыпи скоростных автомагистралей часто длительное время строятся в несколько этапов.Между тем, из-за особого свойства, заключающегося в том, что отношение напряжений сваи к грунту больше 1, теория уплотнения фундамента песчаной дренажной скважины не может быть использована непосредственно в анализе уплотнения композитного фундамента каменной колонны. Исходя из принципа, согласно которому вертикальная нагрузка, прикладываемая к композитному фундаменту, распределяется между каменной колонной и окружающей почвой, определены основные решения для композитного фундамента с каменной колонной при многоступенчатой ​​нагрузке. Благодаря разделению переменных, соответствующие решения степени уплотнения для стадии нагружения и стадии поддержания нагрузки выводятся отдельно.Согласно теореме Каррильо также получено решение для средней общей степени консолидации всего композитного основания. Наконец, разумность настоящего решения была подтверждена путем сравнения кривой консолидации, рассчитанной с помощью настоящего решения, с кривой, измеренной при испытании на месте.

1. Введение

Благодаря гораздо более высокой проницаемости по сравнению с окружающими и лежащими под ними необработанными грунтами, гранулированные колонны широко применяются для армирования композитных фундаментов во всем мире.Система каменных колонн в сочетании с предварительной нагрузкой, которая является одной из наиболее часто используемых гранулированных колонн, привлекает все большее внимание в последние десятилетия, особенно при укреплении насыпей скоростных автомагистралей. Каменные колонны могут оказывать множество положительных эффектов на окружающие почвы, например, улучшать несущую способность композитного фундамента, уменьшать общие и дифференциальные осадки композитного фундамента и ускорять процесс уплотнения окружающей почвы.

Теория уплотнения композитного фундамента из гранулированных колонн восходит к ценным работам Каррилло [1] и Баррона [2], в которых теоретически анализировались свойства уплотнения фундамента песчаной дренажной скважины. Тема процесса консолидации фундамента песчаной дренажной скважины позже широко обсуждалась Валаамом и Букером [3], Хирдом и др. [4], Xie [5], Chen [6] и другие для получения все большего количества технических условий (включая граничные условия и начальные условия).Процесс консолидации композитного фундамента из каменных колонн аналогичен процессу консолидации фундамента песчаного дренажного колодца, но все же есть много различий в механизме консолидации между этими двумя фундаментами. Как мы знаем, модуль отвода песка может быть приблизительно равен модулю окружающей его почвы. Однако модуль упругости каменной колонны полностью отличается от модуля окружающей почвы; то есть модуль упругости каменной колонны намного больше модуля окружающей почвы.Также следует отметить, что чем больше отношение модуля упругости каменной колонны к грунту, тем больше различий в механизме уплотнения между этими двумя композитными основаниями [3]. Следовательно, теория уплотнения фундамента песчаного дренажного колодца не может быть использована непосредственно для проектирования композитного фундамента из каменной колонны, поскольку влияние модуля упругости каменной колонны и грунта на процесс уплотнения композитного фундамента из колонны до сих пор неясно.

За последние несколько десятилетий были достигнуты значительные успехи в разработке теории консолидации композитного фундамента из каменных колонн.Хан и Е [7] представили аналитическое решение для расчета скорости консолидации фундамента, армированного каменными колоннами, с учетом эффекта размытия и сопротивления скважины. Чжу и Инь [8] получили аналитическое решение для анализа консолидации почвы с вертикальной и горизонтальной дренажной системой и рамповой нагрузкой. Ван [9] предложил решение по укреплению грунта, армированного каменными колоннами, при различных формах нагрузки, зависящей от времени. Принимая во внимание боковую деформацию каменной колонны, Кастро и Сагасета [10, 11] разработали ряд решений для исследования влияния деформации колонны на процесс уплотнения грунта.Вскоре Кастро и др. [12] изучали изменения в состоянии почвы из-за установки каменных колонн и влияние установки каменных колонн на уменьшение осадки с помощью численного моделирования. Принимая во внимание линейное изменение коэффициента горизонтальной проницаемости в зоне нарушенного грунта, а также зависящее от времени и глубины приращение напряжения, вызванное внешними факторами, Xie et al. [13] дали общее аналитическое решение для процесса консолидации композитного фундамента из каменных колонн.После этой работы Лу и др. [14, 15] построили серию аналитических решений по укреплению композитного фундамента, армированного непроницаемой колонной и каменной колонной для различных инженерных условий. Zhang et al. [16] предложили точное решение для укрепления композитного фундамента, улучшенного каменными колоннами с геосинтетическим покрытием, в котором учитывались деформации и потоки воды как в вертикальном, так и в радиальном направлениях в элементе. Tang et al. [17] предложили закрытое решение для консолидации с системой вертикального дренажа на основе трехслойной модели грунта.Ян и др. В [18] получено аналитическое решение о композитном фундаменте, усиленном непроницаемыми колоннами с частичным проникновением, на основе модели двухслойного грунта. Лю и др. [19] использовали квазианалитический метод для исследования проблемы уплотнения с равной деформацией, в которой рассматривались многослойный грунт с системой вертикального дренажа и условиями как вертикального, так и радиального дренажа. Используя анализ конечных элементов элементарной ячейки, Hosseinpour et al. [20] исследовали несущую способность и осадку композитного фундамента из гранулированной колонны, усиленного геосинтетическими материалами с использованием облицовки и ламинированных дисков.

Как указано в вышеупомянутых работах, в литературе сообщается о многих достижениях по укреплению композитного фундамента из каменных колонн. Однако эти решения не подходят для анализа консолидации композитного фундамента из каменных колонн, который используется при укреплении насыпей скоростных автомагистралей. Как известно, насыпи скоростной автомагистрали часто строятся в несколько этапов в течение длительного времени, а это означает, что взаимосвязь между нагрузкой и временем должна быть важным фактором при анализе консолидации композитного основания насыпи скоростной автомагистрали.Из-за временного эффекта нагрузки ошибку расчета нельзя игнорировать при использовании вышеупомянутых теорий консолидации для прогнозирования процесса консолидации композитного фундамента из каменных колонн на насыпях скоростных автомагистралей [21]. Чтобы исправить недостатки существующих теорий, предполагающих постоянную нагрузку, в этой статье для моделирования граничных условий насыпей скоростных автомагистралей используется многоступенчатая нагрузка. Затем на основе основной идеи метода расчета фундамента песчаного дренажного колодца, которое разделяет проблему консолидации на две части, выводится решение в закрытой форме для процесса консолидации композитного фундамента из каменных колонн, используемого при укреплении насыпей скоростных автомагистралей: то есть часть радиального уплотнения и часть вертикального уплотнения.Общая степень консолидации композитного фундамента из каменной колонны также получается с помощью теоремы Каррильо [1].

2. Решение радиального уплотнения

2.1. Основные допущения

Как видно на рисунке 1, композитный фундамент из каменной колонны моделируется цилиндрической моделью консолидации, состоящей из каменного столба, зоны размазывания и окружающей почвы изнутри наружу. обозначает длину каменной колонны, а, и представляют радиусы каменной колонны, зоны смазывания и зоны влияния, соответственно.и указывают среднюю нагрузку, приложенную к вершине каменного столба и окружающей почвы, соответственно. В ходе анализа делаются следующие допущения: (1) закон Дарси действителен. (2) принимается допущение равных вертикальных деформаций; то есть в композитном фундаменте из каменной колонны отсутствует поперечная деформация. (3) Внешняя граница зоны влияния непроницаема и несжимаема, что означает, что на участок почвы вне зоны влияния не влияет процесс уплотнения композитного фундамента из каменной колонны. .(4) Изменение избыточного порового давления в радиальном направлении в каменной колонне не учитывается. (5) Количество воды, поступающей в каменную колонну, равно количеству воды, вытекающей из каменной колонны.

2.2. Управляющие уравнения

В расчетной модели, показанной на рисунке 1, и определяются как коэффициенты радиальной и вертикальной проницаемости окружающей почвы, соответственно. и обозначаются как коэффициент радиальной проницаемости зоны размазывания и коэффициент проницаемости каменной колонны соответственно.Отношение радиуса зоны влияния к каменному столбу можно описать как, а отношение радиуса зоны смазывания к каменному столбу можно обозначить как. Вертикальная нагрузка, действующая на композитный фундамент, распределяется между каменной колонной и окружающей почвой, и уравнение равновесия этих нагрузок может быть записано следующим образом: где, и представляют площадь каменного столба, окружающей почвы и зоны влияния, соответственно. обозначает вертикальную нагрузку, действующую на композитный фундамент.

Подстановка в (1) дает

Определение и замена его в (2) дает

Объединяя принцип эффективного напряжения и закон Гука, скорость вертикальной деформации колонны и грунта может быть выражена как [21] где. изображает вертикальную деформацию колонны и окружающей почвы с учетом только радиального проникновения. — среднее избыточное давление поровой воды на любой глубине в композитном фундаменте с учетом только радиального проникновения.

Одноступенчатая строительная нагрузка, приложенная к верхней части композитного фундамента из каменных колонн, может быть смоделирована с помощью модели одноступенчатого нагружения, как показано на Рисунке 2, выражение которой можно записать следующим образом: где,, и обозначают продолжительность нагрузка, предельная нагрузка и наклон кривой нагружения соответственно.

Подстановка (5) в (4) дает

После исследований, представленных Се [5] и Ченом [6], уравнения консолидации для окружающей почвы могут быть записаны, как показано в (7) — (10) на основе закона Дарси и принципа, согласно которому изменение количества воды равно изменению объема почвы: где и представляют собой среднее избыточное давление поровой воды в любой точке композитного основания и среднее избыточное давление поровой воды в любой точке. глубина в каменной колонне, если учитывать только радиальное проникновение, соответственно.время загрузки.

Тогда граничные и начальные условия можно записать следующим образом:

2.3. Решения основных уравнений

С помощью (11a) и подходящих манипуляций (7) и (8) можно переписать как

. Интегрируя (12) и (13) с соответствующими, получаем следующие уравнения:

Комбинируя (10), (14) и (15), можно вывести следующее уравнение: где

Аналогично, комбинируя (9), (14) и (15), можно получить

Подставляя (16) в (18) дает, где — диаметр зоны влияния.

Комбинируя (6) и (16), можно получить следующее соотношение: где

Комбинируя (19) и (21), можно получить следующее уравнение:

Путем разделения переменных решение (23) может быть получено как [21] где,, и — коэффициенты, в которых и определяются как. и являются неопределенными константами, которые могут быть получены с помощью граничных условий или предположений.

Комбинируя предположения (3), (11b) и (11c), можно получить

Обозначив [21], можно получить

Подставляя (25) и (26) в (24), частное решение can быть задано как

В следующем разделе теоретически обсуждается общее решение для двух типов условий нагружения, а именно одноступенчатого нагружения и многоступенчатого нагружения.

(a) Одноступенчатая загрузка состоит из двух этапов

(a1) Этап загрузки . Подставляя (27) в (23) и комбинируя (11d), (11e) и (19), следующие коэффициенты могут быть легко определены следующим образом: где

Подставляя (28) — (29) в выражения и , можно вывести следующие уравнения:

Подстановка в (31) дает

(a2) Поддерживающая стадия нагрузки . На стадии поддерживающей нагрузки равен нулю.В соответствии с явлением, когда среднее избыточное давление поровой воды в колонне и во всем композитном фундаменте одинаково, могут быть получены следующие выражения:

(b) Многоступенчатая нагрузка . В соответствии с процессом строительства насыпи скоростной автомагистрали, строительная нагрузка может быть принята как модель многоступенчатой ​​нагрузки, показанная на Рисунке 3. В этой модели имеется общее количество степеней нагрузки, в которых, и представляют время начала, время окончания и интенсивность нагружения й степени нагружения соответственно.

Используя аналогичный процесс решения одноступенчатой ​​нагрузки и допуская, что средние избыточные давления поровой воды внутри колонны и всего композитного основания идентичны во время стадии постоянной нагрузки, решение можно легко получить как следующим образом: (b1) Для стадии нагрузки, (b2) Для поддержания стадии нагрузки,

2.4. Степень радиальной консолидации

В этом исследовании принимается во внимание консолидация и деформация каменной колонны.Таким образом, средняя степень радиальной консолидации определяется как отношение среднего эффективного напряжения к общему напряжению в композитном фундаменте следующим образом: где, и обозначают степень радиальной консолидации в любой точке композитного фундамента, нагрузка при время и предельная нагрузка.

Средняя степень радиальной консолидации в пределах всего композитного фундамента может быть получена следующим образом: ①Для стадии нагрузки, ②Для поддержания стадии нагрузки,

3. Решение вертикальной консолидации

3.1. Основные допущения

Подобно аналитическому процессу радиального уплотнения, в ходе исследования были приняты следующие допущения: (1) грунт однородный, насыщенный и эластичный. (2) соблюдается закон Дарси и коэффициент проницаемости грунт остается постоянным в процессе уплотнения. (3) Вертикальная нагрузка, действующая на композитный фундамент, воспринимается как каменной колонной, так и окружающей почвой, соотношение которых может быть выражено как (1). (4) Боковая деформация в каменной колонне не считается.

3.2. Управляющие уравнения и решения

В том же процессе вывода (6) может быть получено следующее уравнение:

Подставив (39) в уравнение консолидации Терзаги, получаем

Аналогичным образом граничные условия и начальные условия можно резюмировать следующим образом:

Подобно процессу получения решения, решение может быть легко получено посредством разделения переменных следующим образом: ①Для этапа загрузки, ②Для поддержания этапа загрузки,

3.3. Степень вертикальной консолидации

Следуя тому же определению (36), средняя степень вертикальной консолидации в пределах всего композитного фундамента может быть записана следующим образом: ①Для стадии нагружения, ②Для поддержания стадии нагрузки,

4. Общая степень Консолидация композитного фундамента

Исходя из средней степени радиальной консолидации и вертикальной консолидации в пределах всего композитного фундамента, средняя общая степень консолидации композитного основания может быть получена путем применения теоремы Каррильо [1], которая может быть выражена следующим образом : где обозначает среднюю общую степень консолидации композитного основания.

5. Инженерное приложение

Чтобы помочь инженерам-геотехникам лучше использовать решения, представленные в этом документе, в эта секция. Композитный фундамент из каменных колонн принят для улучшения насыпи одного участка этой скоростной дороги, а именно участка, проектный чертеж которого аналогичен рисунку 1.Параметры этого композитного фундамента следующие:, и. Между тем, параметры профиля почвы показаны в таблице 1.

Взаимосвязь между нагрузкой и временем проиллюстрирована на рисунке 4, который можно смоделировать с помощью многоступенчатой ​​модели нагружения с двумя стадиями нагружения. Характерные времена этой модели нагружения равны, и, соответственно. Скорости загрузки этой модели загрузки составляют и, соответственно.

По профилю почвы вертикальное уплотнение считается двойным дренажем.На основе представленных решений временная история средней общей степени консолидации композитного фундамента секции в этом инженерном приложении может быть рассчитана, как показано на рисунке 5. Как видно из рисунка 5, тенденция расчетных результатов очень совпадает с хорошо с результатами измерений, что означает, что решения, представленные в этом исследовании, имеют достаточную точность для прогнозирования процесса консолидации композитного фундамента из каменных колонн, применяемого при укреплении насыпей скоростной автомагистрали.

6. Выводы

Рассматривая взаимосвязь между нагрузкой и временем, было разработано теоретическое решение в замкнутой форме для решения проблемы консолидации композитного фундамента из каменных колонн, используемого при укреплении насыпей скоростных автомагистралей. Исходя из методики расчета фундамента песчаного дренажного колодца, задача уплотнения композитного фундамента делится на две части: радиальное уплотнение и вертикальное уплотнение. Основываясь на принципе, что вертикальная нагрузка, действующая на композитный фундамент, распределяется между каменной колонной и окружающей почвой, определяющие уравнения для радиальной консолидации и вертикальной консолидации устанавливаются с использованием многоступенчатой ​​нагрузки для моделирования граничных условий насыпей скоростных автомагистралей.Затем соответствующие решения для стадии загрузки и поддержания стадии нагрузки впоследствии выводятся с использованием разделения переменных. Между тем, решение для средней общей степени консолидации всего композитного основания также получается с использованием теоремы Каррильо. Наконец, приведен пример приложения, чтобы помочь инженерам-геотехникам лучше использовать настоящее решение для прогнозирования процесса консолидации композитного фундамента из каменных колонн, используемого в насыпях скоростных автомагистралей.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов.

Выражение признательности

Это исследование поддержано Национальным фондом естественных наук Китая (гранты № 51309207 и 51322807), Проектом, финансируемым Китайским фондом постдокторантуры (№ 2013T60759), исследовательскими фондами, предоставленными Центром инженерных исследований горных пород Министерства энергетики США. — Бурение, выемка грунта и защита (грант № 201402), а также фонды фундаментальных исследований для Центральных университетов — план «Колыбель» на 2015 г. (грант №CUGL150411).

Поведение при нагружении и взаимодействие грунта и конструкции для плавающей каменной колонны под жестким фундаментом: исследование DEM

В этой статье исследуется поведение нагрузки и взаимодействие грунта и конструкции, связанные с плавающей каменной колонной под жестким фундаментом, с использованием метода дискретных элементов ( DEM). Агрегаты и мягкий грунт моделируются частицами разного размера. Жесткий фундамент моделируется двумя нагружающими пластинами в одном и том же положении с одинаковой скоростью.Исследуются распределение напряжений и микроскопическое взаимодействие между колонной и мягким грунтом. Вертикальное напряжение колонны увеличивается с осадкой и уменьшается с глубиной. Положение колонны с большим радиальным напряжением также имеет большую деформацию, которая уменьшается сверху вниз. Вертикальные и радиальные напряжения мягкого грунта увеличиваются с оседанием, а радиальное напряжение имеет высокое значение в верхней части мягкого грунта. Коэффициент концентрации напряжений достигается двумя нагружающими пластинами, который уменьшается с 2.От 5 до 1,55 во время загрузки. Взаимодействие между колонкой и мягким грунтом показывает, что колонна не проникает в нижележащий пласт, а увлекает окружающую почву вниз.

1. Введение

Каменные колонны доказали свою эффективность, экономичность и экологичность для улучшения мягких грунтов [1, 2]. Они могут увеличить несущую способность, уменьшить окончательную и дифференциальную осадку, ускорить уплотнение грунта, улучшить устойчивость откосов и снизить потенциал разжижения [3–5].Поскольку этот метод был впервые зарегистрирован в 1839 году в Байонне (Франция), он получил широкое распространение во всем мире [6–8]. Были проведены многочисленные исследования для выявления инженерных характеристик мягких грунтов с каменными колоннами, особенно в последние десятилетия.

На основе теории одномерной (1D) консолидации Терзаги и решения идеальной дренажной скважины Баррона было получено множество аналитических полуаналитических решений для мягкой глины с каменной колонной. Большинство из них учитывали поровое давление воды и временной фактор, выводили уравнения консолидации при различных геологических состояниях и граничных условиях.Среднюю степень консолидации можно хорошо предсказать, используя решения [9–15].

Полевой мониторинг позволяет выявить осадку и деформацию конструкции; данные могут быть использованы для надежного анализа осадки и несущей способности каменных колонн в мягкой глине. Мониторинг на месте обычно длится несколько лет, даже более десяти лет, что требует много времени и неэкономично [1, 2]. Лабораторные испытания могут преодолеть те недостатки, которые имитируют структуру поля в мелком масштабе.Экспериментальное исследование поведения каменной колонны может быть выполнено с помощью различных параметров, таких как прочность мягкой глины на сдвиг, условия нагружения, а также диаметр и расстояние между каменными колоннами [16–21]. При нагружении только сваи наблюдается явная деформация выпуклости; максимальное место выпуклости составляет 0,5 диаметра колонны от вершины [20]. При приложении нагрузки ко всей площади модельного резервуара не наблюдается значительного вздутия [20, 21].

Метод конечных элементов (МКЭ) широко используется для анализа поведения каменных колонн.Предполагается, что каменная колонна изотропна и сплошная, а часть модели обычно принимается в качестве объекта исследования из-за осевой симметрии [22–30]. В некоторых исследованиях отдельные каменные колонны преобразуются в стены колонн с использованием анализа плоской деформации. Результаты совпадают с методом эквивалентных площадей в долгосрочных условиях [26]. Вычислительная эффективность МКЭ относительно высока, но его результаты в основном сосредоточены на макроскопическом уровне модели.

DEM-FDM — это схема связанного численного моделирования.Изолированный каменный столб можно моделировать с помощью DEM, а окружающий грунт моделируется с помощью FDM с критерием текучести Мора-Кулона. Было проведено множество исследований с использованием этого метода для понимания поведения каменных колонн и окружающих их грунтов [31–35]. Установлено, что режим разрушения изолированной каменной колонны в мягкой глине связан с модулем упругости и связностью грунта [31]. Сила и смещение между каменным столбом и почвой передаются серией стен, которые нельзя уловить напрямую.

ЦМР широко используется в инженерно-геологической инженерии, например на склонах, насыпях, дорогах и скалах [36–46]. В геотехнической инженерии DEM может моделировать неоднородность грунта и породы и выявлять микроскопический механизм разрушения. Wang et al. [40] использовали ЦМР для изучения влияния ограничивающего давления и пути нагрузки на деформацию и прочность связных гранулированных материалов. Yu et al. [42] исследовали механизм разрушения песчаников при различных углах залегания и осмотическом давлении с помощью DEM.ЦМР является эффективным методом моделирования из-за зернистости агрегата каменных колонн; он может моделировать микроскопический отклик сыпучих материалов. Gu et al. построила 3D-модель DEM для каменной колонны из мягкой глины, а каменная колонна и окружающий грунт были смоделированы с помощью DEM. Они проанализировали напряжение и деформацию изолированной каменной колонны под нагрузкой [47]. Однако на практике каменные колонны не всегда проникают в мягкий слой почвы и опираются на твердый несущий слой [19, 21].Каменные колонны обычно устанавливают под жесткий фундамент или равномерно распределенную нагрузку [22]. До сих пор, по сведениям автора, не проводились исследования с использованием матрицы высот на напряжения и деформации колонны из плавающего камня под жестким фундаментом.

В этом исследовании построена трехмерная модель плавающей каменной колонны из мягкой глины, которая равномерно загружена сверху. Анализируются вертикальное и радиальное напряжение колонны и мягкого грунта, пористость, координационное число и деформация колонны, коэффициент концентрации напряжений и взаимодействие колонны с грунтом.

2. Численное моделирование

2.1. Элементарная ячейка

Каменные колонны обычно имеют треугольную или квадратную форму, как показано на Рисунке 1. Таким образом, часть колонны и окружающий грунт представляют собой шестиугольник (Рисунок 1 (a)) или квадрат (Рисунок 1 (b)). Благодаря условиям осевой симметрии шестиугольник или квадрат можно преобразовать в круг (цилиндр) такой же площади. Диаметр элементарной ячейки соответствует треугольной и квадратной форме, соответственно, где — расстояние от центра до центра между столбцами, — радиус столбца и — радиус замены столбца.

(а) Треугольный
(б) Квадратный
(а) Треугольный
(б) Квадратный

2.2. Выбор параметра

В данном исследовании применяется программа DEM, код трехмерного потока частиц (PFC3D, версия 5.0). PFC — это зрелое программное обеспечение для бизнеса от компании Itasca. Смещения и контактные силы каждой частицы рассчитываются по второму закону Ньютона.

Модель линейного контакта используется в этом исследовании для моделирования заполнителя и мягкой глины.Параметры агрегатов и частиц почвы показаны в таблицах 1 и 2, которые были подтверждены Gu. В модели грунта Гибсона сопротивление недренированному сдвигу мягкой глины увеличивается с глубиной. Согласно предложению Хана, прочность на сдвиг мягкой глины без дренажа может быть рассчитана [48]:
где — сцепление мягкой глины и — эффективный удельный вес мягкой глины. Прочность контактного соединения шести нижних слоев составляла 3,40 Н, 3,65 Н, 3,95 Н, 4,20 Н, 4,55 Н и 4,90 Н соответственно.

2.3. ЦМР-модель плавающей каменной колонны под жестким фундаментом

ЦММ-модель построена для имитации плавающей каменной колонны под жестким фундаментом.На рис. 2 показана элементарная ячейка плавающей каменной колонны из мягкой глины. Для эффективного моделирования взаимодействия каменной колонны с грунтом и повышения эффективности расчетов диаметр и высота модели установлены равными 800 мм и 1500 мм соответственно. Нижняя плита модели закреплена. Коэффициент трения боковой границы установлен равным 0, чтобы уменьшить влияние границы на модель. Диаметр каменной колонны 260 мм, длина 1000 мм. Диаметр агрегатов от 30 до 50.Агрегаты диаметром от 30 до 40 мм составляют 40% каменного столба, а агрегаты диаметром 40-50 мм — 60%. Пористость каменной колонны 0,37. Коэффициент замещения площадей составляет 10,56%, от 10 до 35% [7].

Из-за неправильной формы частиц почвы и влияния минеральной составляющей микроскопическое взаимодействие частиц почвы очень сложное [49, 50]. ЦМР сложно точно смоделировать глинистую почву. Это исследование делает некоторые упрощения, игнорирует некоторые свойства и сосредотачивается на связующих свойствах мягкой глины.Мягкая глина моделируется с помощью модели линейного контакта. Диаметр частиц почвы составляет от 18 до 20 мм. В общей сложности создается 117930 частиц для имитации мягкой глины вокруг и под каменной колонной. Для наглядности частицы почвы разделены на две группы: грунт вокруг каменной колонны и нижележащий слой, которые показаны разными цветами. Начальная пористость мягкой глины 0,4.

Круглая пластина и кольцевая пластина создаются как загрузочные пластины.Две загрузочные пластины жесткие и не деформируются во время загрузки. Диаметр круглой пластины 260 мм. Внутренний диаметр кольца — 260 мм, внешний — 800 мм. Две загрузочные плиты одновременно опускаются, чтобы получить начальное давление 5,0 кПа. Под начальным давлением частицы каменного столба и грунта достигают определенного состояния уплотнения. В процессе нагружения используется метод контроля смещения. Во время процесса загрузки две загрузочные пластины одновременно движутся вниз с постоянной скоростью 0.008 м / с. Эта скорость достаточно мала, чтобы модель оставалась квазистатической во время загрузки. Отношение максимального неуравновешенного усилия к максимальному контактному усилию составляет менее 0,003.

Изменение параметров заполнителей и мягкой глины во время загрузки можно контролировать с помощью измерительных сфер. На рисунке 3 показано расположение измерительных сфер в модели. Вдоль каменной колонны до нижней плиты расположены четырнадцать измерительных сфер диаметром 260 мм. Эти области измерения (ID от 1 до 14) перекрывают друг друга, что позволяет осуществлять более интенсивный мониторинг данных.Сорок две измерительные сферы (ID от 15 до 56) генерируются для наблюдения за окружающей мягкой почвой в разных положениях. Диаметр этих измерительных сфер составляет 100 мм.

3. Результаты

3.1. Напряжения и деформация каменной колонны

Измерительная сфера, предоставляемая PFC3D 5.0, может эффективно определять изменения напряжения и деформации колонны и глины грунта во время нагрузки. Поскольку среда дискретна, напряжение не может быть получено напрямую.Среднее напряжение в измерительной сфере можно вычислить:
где — среднее напряжение в измерительной сфере, — объем измерительной сферы, — количество контактов в измерительной сфере или на границе, — вектор контактной силы, — вектор ветвления, соединяющий центроиды двух частиц в контакт и обозначает внешний продукт.

3.1.1. Вертикальные и радиальные напряжения

На рис. 4 показано распределение вертикальных напряжений вдоль каменной колонны при различных осадках.В целом вертикальное напряжение увеличивается с увеличением осадки. При осадке более 1000 мм нагрузка на верхнюю часть каменной колонны значительно снижается. Это связано с тем, что горизонтальное ограничение агрегатов в верхней части столбца невелико, а эффективный объем измерительной сферы () уменьшается из-за увеличения осадки. Вертикальное напряжение сначала увеличивается, а затем уменьшается вдоль каменной колонны, что означает, что вертикальная нагрузка передается от колонны на окружающий грунт.Вначале максимальное напряжение составляет примерно 200 мм ниже вершины колонны; с увеличением осадки она постепенно опускается до 500 мм. Вертикальная нагрузка на колонну передается вниз, но не на нижнюю часть колонны.

На рисунке 5 показано распределение радиальных напряжений вдоль каменной колонны при различных осадках. Как показано на рисунке, максимальное радиальное напряжение возникает в диапазоне 400 мм ниже вершины колонны. С увеличением осадки увеличивается и радиальное напряжение, но площадь поражения не увеличивается.

3.1.2. Изменение пористости

Изменение пористости является важным показателем каменной колонны. Он может отражать изменение относительной плотности колонны во время загрузки. Однако точное изменение пористости трудно получить в лабораторных и полевых испытаниях. Сфера измерения в PFC может легко измерить изменение пористости со временем. Пористость — это отношение объема пустоты в измерительной сфере к объему всей измерительной сферы. Выбраны четыре измерительные сферы на высоте модели 700 мм, 900 мм, 1100 мм и 1300 мм.Четыре позиции соответствуют 200 мм, 400 мм, 600 мм и 800 мм в столбце соответственно.

На рис. 6 показано изменение пористости колонны во время нагрузки. Начальная пористость каменной колонны составляет 0,37, которая увеличивается до 0,425 сразу после приложения начального давления. По мере увеличения нагрузки пористость в трех нижних положениях мало меняется и в основном стабильна в пределах от 0,41 до 0,42. Пористость верхнего положения стабильна на уровне около 0,42 при осадке менее 750 мм.Когда осадка больше 700, пористость увеличивается с увеличением осадка. Это указывает на то, что при осадке менее 750 мм агрегаты колонны относительно плотные. По мере увеличения нагрузки нижняя часть колонны остается стабильной, а верхняя часть показывает признаки отказа.

3.1.3. Координационное число

Координационное число — это среднее число активных контактов для каждой частицы в измерительной сфере и рассчитывается как
где — координационное число, — количество частиц с центрами тяжести в сфере измерения, — количество активных контактов частицы.

Координационное число можно использовать для оценки движения частиц в колонне. Выбраны четыре измерительные сферы на высоте модели 700 мм, 900 мм, 1100 мм и 1300 мм. Четыре позиции соответствуют 200 мм, 400 мм, 600 мм и 800 мм в столбце соответственно. На рисунке 7 показано координационное число в колонке во время загрузки. После приложения начального давления координационное число на высотах 700 мм, 900 мм, 1100 мм и 1300 мм составляло 4,9, 4,7, 4,5 и 4.0. По мере постепенного увеличения нагрузки координационное число четырех позиций имеет некоторые колебания, но в целом координационное число увеличивается, что означает, что агрегаты стали более плотными. В конце загрузки координационное число на высоте 700 мм, 900 мм, 1100 мм и 1300 мм составляло 4,7, 4,6, 4,3 и 3,8. Агрегаты в верхней части колонны имеют небольшое координационное число, что также означает, что агрегаты относительно рыхлые. Это согласуется с результатом пористости.

3.1.4. Деформация

Деформация колонны может интуитивно отражать режим отказа. Однако сложно отслеживать процесс деформации каменного столба под нагрузкой в ​​лабораторных условиях и на практике инженерных работ. Численное моделирование может преодолеть этот недостаток и удобно получить деформацию колонны при различных нагрузках. PFC 3D получил деформацию колонны во время нагружения, как показано на рисунке 8. Под действием нагрузки колонна постоянно сжимается и расширяется.Расширение становится меньше сверху вниз. Деформация верхней части колонны велика, и радиальное напряжение также велико, что показывает определенную положительную корреляцию. Когда осадка достигает 1500 мм, форма колонны приближается к усеченному конусу. Результаты численного моделирования PFC аналогичны результатам экспериментов [20, 21]. Wang et al. [20] и Guo et al. [21] провели модельные испытания каменного столба при равномерной нагрузке на всю вершину модели. Деформация каменной колонны под жестким фундаментом отличается от деформации под нагрузкой только на вершине колонны.Когда нагрузка применяется только к верху колонны, очевидная деформация расширения будет происходить ниже вершины колонны [29, 33]. Эта разница связана с ограниченной прочностью почвы. Когда нагрузка прикладывается как к колонне, так и к грунту, грунт может обеспечить большую ограниченную прочность, чем когда нагрузка прикладывается только к колонне.

3.2. Вертикальные и радиальные напряжения мягкого грунта

Вертикальные и радиальные напряжения мягкого грунта во время нагрузки получают с помощью измерительных сфер в разных положениях.На рисунке 9 показаны вертикальные напряжения мягкого грунта на расстоянии 180 мм, 280 мм и 350 мм от центра колонны. Рисунок 9 (а) показывает, что вертикальное напряжение колеблется по направлению глубины. Это связано с тем, что почва в этой области находится близко к колонне и сильно зависит от деформации колонны. Распределение вертикальных напряжений в мягком грунте относительно регулярное на рисунках 9 (b) и 9 (c). Вертикальные напряжения на рисунке 9 все увеличиваются с увеличением нагрузки. В том же месте, удаленном от центра колонны, вертикальное напряжение уменьшается с увеличением глубины.По мере того как нагружающая пластина постепенно перемещается вниз, объем измерительной сферы вверху постепенно уменьшается, поэтому напряжение, измеряемое измерительной сферой вверху, также уменьшается.

На рисунке 10 показаны радиальные напряжения мягкого грунта на расстоянии 180 мм, 280 мм и 350 мм от центра колонны. Рисунки 10 (a) и 10 (c) показывают, что радиальное напряжение верхней части почвы относительно велико. Рисунок 10 (b) показывает, что колебания радиального напряжения почвы в середине большие, но величина радиального напряжения мала.На высоте 500 мм, то есть в положении подошвы колонны, радиальное напряжение значительно увеличивается.

Распределение вертикальных и радиальных напряжений мягкого грунта под жестким фундаментом отличается от этой нагрузки только на верхушку колонны. Когда нагрузка действует только на верх колонны, вертикальное напряжение увеличивается по глубине, а радиальное напряжение в верхнем слое грунта вблизи боковой границы велико [47].

3.3. Столбец-почва

3.3.1. Коэффициент концентрации напряжений

Коэффициент концентрации напряжений является важным параметром в геотехнической инженерии, который отражает распределение нагрузки между колонной и грунтом.В этом исследовании создается круглая нагружающая пластина и кольцевая нагружающая пластина для регистрации нагрузки на колонну и грунт соответственно. Коэффициент концентрации напряжений может быть получен путем расчета зарегистрированной нагрузки. Рисунок 11 показывает, что коэффициент концентрации напряжений уменьшается с увеличением осадки. После приложения начального давления коэффициент концентрации напряжений достигает максимального значения 2,5. Это связано с тем, что колонна имела более высокую жесткость, чем окружающий грунт, и несла большую нагрузку.При постепенном увеличении нагрузки осадка увеличивается, и напряжение передается с колонны на грунт. Когда осадка достигает 150 мм, коэффициент концентрации напряжений составляет 1,55. Результаты этого исследования находятся в диапазоне от 2 до 4, что согласуется с данными других авторов [10, 26]. В статье Zhang et al., Типичный коэффициент концентрации напряжений в грунте с улучшенными каменными колоннами под жестким фундаментом составляет от 2 до 4 [26]. Когда осадка больше 90 мм, коэффициент концентрации напряжений меньше 2.Это связано с расширением верха колонны; круглая загрузочная пластина не может точно записывать. Коэффициент концентрации напряжений на более поздней стадии нагружения является приблизительным значением.

3.3.2. Деформация колонны и грунта в нижней части колонны

PFC имеет преимущество в отслеживании движения частиц под нагрузкой. Перед загрузкой каждую частицу можно разделить на разные группы. Таким образом, траектория движения частиц хорошо видна во время загрузки.В этом исследовании, как показано на рисунке 2, частицы мягкой глины разделены на две группы разного цвета. Почва с желтым цветом имеет ту же высоту, что и столбик. На рисунке 12 показаны деформации колонны и грунта в нижней части колонны при различных осадках. С увеличением нагрузки деформация колонны и грунта становится больше, а выступ становится более заметным. Когда осадка достигает 150 мм, выступ приближается к конусу. Колонна не проникает в нижележащий пласт, и колонна оказывает тормозящее действие на окружающую почву.Другими словами, колонна и окружающий грунт деформируются совместно, демонстрируя определенную целостность. Это связано с большим коэффициентом трения между колонной и почвой. Напряжение передается изнутри наружу через колонну на окружающую почву, благодаря чему выступ принимает форму конуса.

4. Обсуждение

Хотя предлагаемая модель DEM может анализировать поведение плавающей каменной колонны под жестким фундаментом, она все еще нуждается в улучшении в следующих аспектах: (1) модель линейного контакта использовалась для моделирования частиц грунта. для простоты; использование PFC для моделирования мягких грунтов требует дальнейшего изучения; (2) в модели был принят метод управления перемещением, а метод управления нагрузкой может быть разработан в дальнейшем исследовании; и (3) когда верх колонны расширялся во время загрузки, нагружающая пластина на колонне не расширялась одновременно.

5. Выводы

В данной работе построена трехмерная DEM модель плавающей каменной колонны под жестким фундаментом. Агрегаты каменной колонны и мягкой глины моделируются частицами с использованием модели линейного контакта. Две загрузочные плиты в одном и том же положении с одинаковой скоростью используются для моделирования жесткого фундамента. В этом исследовании исследуются напряжения и деформации колонны и мягкой глины. Также анализируется взаимодействие между колонкой и почвой. По результатам численного моделирования сделаны следующие выводы:
(i) Вертикальное напряжение колонны увеличивается с увеличением осадки и уменьшается с увеличением глубины колонны.Радиальное напряжение колонны также увеличивается с оседанием, но пораженная зона сосредоточена в мелкой секции. (Ii) С увеличением осадки пористость неглубокой секции колонны увеличивается, и координационное число относительно невелико. Это означает, что агрегаты в верхней части колонны становятся рыхлыми по мере увеличения осадки. Пористость и координационное число нижней части колонны остаются относительно стабильными с увеличением осадки.Следовательно, агрегаты в нижней части остаются относительно плотными. (Iii) При жестком основании окружающий грунт может обеспечить большую поперечную прочность. Деформация расширения колонны постепенно уменьшается сверху вниз. (Iv) Вертикальное напряжение мягкой глины увеличивается с увеличением осадки. Радиальное напряжение в верхней части мягкой глины велико, и в положении основания колонны радиальное напряжение значительно увеличивается (v) Коэффициент концентрации напряжений уменьшается с 2.От 5 до 1,55 во время загрузки. Столбец не проникает в нижележащий пласт, а столбец тянет вниз окружающую почву.

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что у них нет известных конкурирующих финансовых интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, описанную в этой статье.

Благодарности

Это исследование было выполнено при финансовой поддержке Национального фонда естественных наук Китая (номера грантов 51778575 и 52078457).

Экономичная альтернатива глубоким фундаментным системам — вибро-каменные колонны

Все чаще генеральные подрядчики Флориды сталкиваются с перспективой строительства дорогостоящих и трудоемких глубоких фундаментов под многоэтажными жилыми или коммерческими зданиями, обращаются к специализированному типу опор из заполнителя, известному как вибропоры или вибро-каменные колонны.

По сравнению с конструкциями глубокого фундамента, колонны из вибро-камня устанавливаются намного быстрее, сокращают транспортировку грунта и предотвращают задержку оседания грунта. Квалифицированная геотехническая компания может посоветовать вам, как использовать этот передовой метод улучшения грунта для вашего следующего проекта. Они могут разработать экономичные процедуры обработки и установки, соответствующие вашим потребностям.

Вибро-каменные колонны и опоры из заполнителя

Колонны из вибро-камня — это усовершенствованная версия опор из заполнителя, используемых для повышения несущей способности грунта под фундаментами или плитами, без недостатков традиционных методов земляных работ.

Современные колонны из вибро-камня вытесняют почву с помощью высокочастотных вибрационных зондов, известных как виброфлоты. Колонны из вибро-камня устанавливаются по схеме, конструкция которой зависит от типа поддерживаемой конструкции и качества почвы под ней, что определяется геотехническим анализом.

Конкретные методы добавления заполнителя для сваи зависят от почвенных условий, но заполнитель добавляется на определенных этапах, каждая из которых тщательно уплотняется с помощью виброфлота.Эти серии агрегатных подъемников продолжают подниматься на поверхность строительной площадки.

В результате получается набор чрезвычайно плотных, устойчивых каменных колонн со значительно большей несущей способностью, чем окружающий грунт. Неглубокие опоры или бетонные плиты хорошо поддерживаются без затрат на системы глубокого фундамента.

Как мы обсудим ниже, этот метод имеет несколько дополнительных преимуществ перед системами с глубоким фундаментом с точки зрения функции, стоимости и экономии времени.

Определение необходимой несущей способности

Группа инженеров вашего геотехнического подрядчика будет тесно сотрудничать с инженерами-строителями проекта, чтобы определить допустимую несущую способность и требования к расчету для многоэтажных зданий или других проектов промышленного строительства, которые вы берете на себя.

В зависимости от качества почвы может быть достигнуто типичное опорное давление при использовании колонн из вибро-камня от 3 000 до 8 000 фунтов на квадратный фут.Колонны разнесены в зависимости от технических требований инженера.

Инженер-геолог также рассматривает допустимую осадку конструкции, включая общую осадку и дифференциальную осадку, которая обычно составляет полтора дюйма соответственно. Иногда для точного определения этих факторов может потребоваться растачивание контрольных отверстий.

Расчет вибро-каменной колонны с учетом почвенных условий

В зависимости от поверхностных и подземных почвенных условий, вибро-каменные колонны устанавливаются на глубину до 50 футов.Подача и уплотнение заполнителя будет отличаться в зависимости от конкретного типа почвы под конструкцией.

В связных зернистых грунтах скважина не проваливается сама в себя, поэтому виброфлот может быть удален после достижения нужной глубины. Вертикальные подъемы заполнителя добавляются непосредственно по технологии, известной как подача сухим верхом. После каждой разгрузки заполнителя виброфлот повторно вставляется и уплотняет лифт высокочастотной вибрацией. Этот процесс повторяется до тех пор, пока пирс не достигнет поверхности.

В менее устойчивых грунтах для подачи материала сваи используется метод подачи с сухого днища. В этом случае, как только виброфлот завершит отверстие, он остается на месте, чтобы отверстие не могло разрушиться. К виброфлоту прикреплен tremie , который помещает на дно скважины горную породу, засыпанную в бункер с верхней стороны. Затем виброфлот немного втягивается для уплотнения добавленного заполнителя при каждом подъеме.

Для рыхлых грунтов, находящихся ниже уровня грунтовых вод, применяется метод влажной донной подачи.Как и при сухом донном питании, виброфлот остается в скважине, чтобы предотвратить обрушение, и заполнитель добавляется сверху. По мере добавления заполнителя струи воды или сжатого воздуха со всех сторон удерживают отверстие открытым. Виброфлот извлекается на небольшое расстояние при каждом подъеме для уплотнения насыпи.

Преимущества колонны Vibro Stone

Колонны из вибро-камня стали одним из самых популярных методов армирования грунта в современных строительных проектах. Они особенно экономичны для повышения несущей способности смешанных насыпей и сыпучих грунтов.Опытные строители используют колонны из вибро-камня вместо того, чтобы нести высокие затраты и дополнительное время на строительство глубоких фундаментов.

Подрядчики Флориды часто соблюдают строгие сроки завершения. Колонны из вибро-камня позволяют ускорить график на самых ранних этапах строительства, поскольку установка занимает меньше времени, чем установка глубокого фундамента. Типично установка до 40 вибро-каменных колонн в смену.

• Обработка сокращенных отвалов

Скважины, созданные с помощью виброфлота, не создают отвалов традиционных земляных работ.Ваши затраты на перемещение и вывоз добычи практически равны нулю. На участках с загрязнением почвы сокращение грунта дает двойную выгоду.

Особенно там, где ваш проект требует высокой несущей способности, по сравнению с системами глубокого фундамента период осадки вибро каменных колонн намного меньше из-за уплотнения. Таким образом, последующее строительство происходит раньше. Виброуплотнение колонн из камня также делает его идеальным решением для строительства на насыпях.

Процесс смещения грунта вибрацией ускоряет дренаж почвы, снижает разжижение почвы и устраняет обезвоживание.В строительстве временных опорных конструкций нет необходимости. Все эти функции означают, что вашей строительной бригаде можно поручить более срочные задачи.

Используя самые современные методы сбора, анализа и регистрации данных, инженеры-конструкторы могут постоянно контролировать процесс установки колонны в режиме реального времени, что повышает надежность графика.

Проконсультируйтесь с геотехническим экспертом по вибро-каменным колоннам сегодня

Выбирая геотехническую фирму для применения технологии вибро-каменных колонн в вашем следующем проекте во Флориде, выберите компанию с многолетним опытом повышения несущей способности грунта для различных проектов от одноэтажных до многоэтажных зданий.

Helicon предоставляет вам наиболее экономичное и практичное решение, соответствующее вашим конкретным целям строительства. Свяжитесь с Helicon сегодня, чтобы поговорить с менеджером проекта о вашем следующем геотехническом проекте.

Похожие сообщения

Рациональное проектирование фундаментов на грунте, усиленном колоннами

В последние десятилетия, несмотря на то, что несколько книг ([14, 20] и др.) Были опубликованы по благоустройству грунта, наряду с проведением множества конференций по благоустройству грунта и смежным темам, книги нет. детализация проектирования и моделирования армированных грунтов колоннами.

С 1989 года автор приступил к исследованию почв, укрепленных колоннами в «Национальной школе инженеров Туниса (ENIT)». Такая тема представляет интерес из-за квазиавтоматического использования глубоких фундаментов для универсальных инфраструктурных проектов в Тунисе, Тунис. Профиль почвы в Тунисе характеризуется наличием очень толстого слоя мягкой глины, что создает серьезные проблемы для проектировщиков фундаментов гражданского строительства.

Основное внимание автора уделялось расчету несущей способности фундаментов, армированных колоннами (CRF), с использованием прямого подхода предельного анализа (1990–1996).Основным результатом этого периода исследований были оригинальные результаты, полученные с помощью моделей элементарной ячейки, траншеи и группы колонн [5].

За этим первоначальным расследованием последовало прогнозирование урегулирования и ускорение консолидации CRF. Эти вопросы были решены в линейно-упругой структуре с использованием моделирования группы колонн и поро-упругого поведения с учетом модели элементарной ячейки (2003–2005 гг.). Параллельно с этим было обнаружено большое значение исследования улучшения характеристик мягких грунтов с точки зрения лучшего понимания наблюдаемого поведения CRF.Различные численные модели привели к значимым результатам, опубликованным с 2003 по 2014 год.

Между тем, метод гомогенизации оказался весьма интересным для определения несущей способности CRF (2001–2006 годы), а также расчет, связанный с армированием с использованием плавающих колонн. (2009).

Этот набор результатов (1995–2005 гг.), Касающихся проверки несущей способности и осадки, послужил для создания новой методологии для проектирования CRF. Основными преимуществами этой методологии были оптимизация стоимости обработки и, что более важно, ее применимость для всех типов грунтов и методов установки колонн.Методология была реализована в программном обеспечении Columns 1.0, коммерциализируемом с 2009 года признанным консалтинговым бюро в области геотехнической инженерии Simpro (http://www.geosimpro.com).

Поскольку в нескольких странах используются разные проектные нормы, основное достоинство данной книги для практиков состоит в проектировании фундамента, усиленного колоннами, единым методом, применимым к каменным колоннам, методом глубокого перемешивания и уплотнением песчаных свай.

Содержание книги охватывает все аспекты, связанные с фундаментами на грунте, армированном колоннами, включая соображения несущей способности, осадки, ускорения консолидации, улучшения характеристик грунта за счет установки колонн, а также исследование поведения такого основания, показывающее производительность плавающих столбцов.Во-первых, вводятся основы, усиленные колоннами, так что даже читатели, не знакомые с темой, могут легко с ней познакомиться.

alexxlab