Наш город относительно молодой, основан атаманом Платовым, как столица Донского казачества, в 1805 году.  Чуть позже в 1806 году по проекту французского архитектора  Луиджи Руска началось строительство главного храма города на тот момент самого большого и соответственно самого «тяжелого» в России Вознесенского собора (рис.1), его строительство с переменным успехом продолжалось до 1846 года, до момента когда произошло обрушение почти возведенного сооружения, следующий вариант собора по проекту академика.Вальпредев 1963 году постигла та же участь. Одной из причин обрушений, специально созданная и присланная на Дон комиссия признала что «фундаменты были заложены на ненадлежащем основании».

Создание и  развитие в Новочеркасске «механики грунтов и фундаментостроения»  как научного направления неразрывно связано с появлением в 1957 году в Новочеркасском политехническом институте выпускника этого института Мурзенко Юлиана Николаевича (рис.2). Идеи и разработки этого неординарного ученого реализованы в кандидатской, а затем и докторской диссертации «Экспериментально-теоретические исследования силового взаимодействия фундаментов и песчаного основания» и получили дальнейшее развитие в работах его учеников.

Научная деятельность Мурзенко Ю.Н. и его учеников поучила признание специалистов РФ, СНГ и за рубежом, чему в значительной мере способствовали профессиональные связи и многолетнее сотрудничество с крупными учеными России: Н.А.Цытовичем, М.И.Горбуновым-Посадовым, Г.П. Чеботарев И.И. Кандауровым, П.Д. Евдокимовым, К.Е.Егоровым, А.П. Пшеничкиным, М.В. Малышевым, П.Л. Ивановым и многими другими. На рисунках4 и 5 показаны гости посетившие НПИ (Профессор Г.П. Чеботарев (США) в лаборатории оснований и фундаментов НПИ (1968 год)) (гости НПИ 1972 г.с.н.с. Т.Ф. Липовецкая (ВНИИГ им. В.Е. Веденеева, Ленинград), проф. М.И. Горбунов-Посадов (НИИОСП им. Н.М. Герсеваноа, Москва), проф. П.Д. Евдокимов ВНИИГ им. В.Е. Веденеева, Ленинград; гости НПИ 1976 г.проф. Я.Д. Гильман (РИСИ), Н.Е. Цытович, академик, президент НАМГиФ Н.А. Цытович (Москва)).

На базе этого научного направления создана и успешно осуществляет свою деятельность кафедра, в названии которой после многочисленных реорганизаций остается слово «фундамент» (рис.5).

Безусловно, центральным звеном, проводимых на кафедре, экспериментальных исследований является исследовательский комплекс на базе созданной проф. Мурзенко Ю.Н. силовой установки МФ-1 (рис. 6).

Место лотковых испытаний

         Натурные испытания строительных объектов дороги, поэтому единичны и не используются для поиска интересующих проектировщиков свойств сооружений или конструкций сооружений.

         Представляется, что основной путь современных исследований это путь «от малого к большому», другими словами, исследование малого образца материала, например, образца грунта, при этом поведение образца материала в приборе не исчерпывает всех возможных его состояний, и переход к физическим уравнениям требует принятия ряда гипотез.

         Промежуточными между натурными испытаниями и испытаниями образцов материала являются лотковые испытания, которые лишены ряда недостатков первых двух направлений, но обладают своими. Проблемы лотковых экспериментов, как модельных экспериментов, связаны с вопросом переноса результатов опытов на натуру.

         Экспериментальные лотковые исследования в Новочеркасской школе механики грунтов и фундаментостроения проводили Мурзенко Ю.Н., Тарикулиев З.Я., Борликов Г.М., Куликов К.К., Аринина Э.В., Ревенко В.В., Галашев Ю.В., Дыба В.П., Политов С.И., Шматков В.В., Мурзенко А.Ю., Евтушенко С.И., Субботин А.И., Скибин Г.М., Архипов Д.Н., Павлющик С.А., Дыба П.В., Скибин М.Г. и другие специалисты.

         Все проведенные исследования можно условно разделить на две группы:

- первая – штамповые испытания, в которых изучалось изменение НДС песчаного основания при различных схемах приложения нагрузки на основание (осе- симметричное загружение – круглый штамм, полосовая нагрузка и  квадратные штампы) при этом в опытах менялось заглубление и жесткость штампов (рис.7-9);

-вторая – модельные испытания, в которых исследовалась совместная работа грунтового основания и моделей фундаментов, в т.ч. новых конструкций (рис. 10-11).

Проблемы измерения напряжений и деформаций

         Экспериментальное изучение НДС грунтового основания требует применение соответствующих приборов и измерительной аппаратуры. Одним из приоритетных направлений нашей кафедры в этом направление было создание новых тензометрических приборов для измерения различных компонент напряжений и деформаций.

Тензометрические датчики напряжений (месдозы) и датчики деформаций (деформометры)  изменяют напряженно – деформированное состояние в некоторой близкой к ним области, т. е. являются концентраторами. Здесь мы сталкиваемся с проявлением общего физического принципа, который говорит о том, что процесс измерения некоторой величины изменяет эту величину.

         Для уменьшения рассматриваемой неустранимой погрешности измерения применялись как конструктивные мероприятия, снижающие концентрации, так и тарировочные мероприятия, учитывающие поправки.

         Месдозы выполнялись заданной жесткости в направлении измерений, края месдоз изготавливались более гибкими. Тарировочные графики получались по сигналам датчиков, помещенных в тарировочный бак, в котором создавалось заданное однородное поле напряжений(Рис. 12).

         Устройство деформометров предполагало максимально возможное количество песка между граничными дисками (рис. 13). Деформометры укладывались в момент начала формирования песчаного основания нужной плотности, оставаясь подключенными к регистрирующей аппаратуре. Для учета концентраций и правильного определения базы прибора было изготовлено тарировочное устройство, задающее в некотором цилиндрическом объеме грунта однородное поле деформаций.

Контактные давления

         Основное назначение фундаментов мелкого заложения в распределении сосредоточенных сил от колонн и стен на грунтовое основание. В Евросоде 7 такие фундаменты и названы «распределяющими».

Строительные нормы и правила для расчетов прочности центрально нагруженных фундаментов, устойчивости и осадок оснований рекомендовали использовать равномерно распределенные контактные давления. Однако, вопрос о силовом взаимодействии фундамента и грунтового основания оставался важен и мог быть решен экспериментально.

         В результате многочисленных лотковых экспериментов со штампами (рис. 14), гибкими металлическими и железобетонными моделями фундаментов установлено, что эпюра контактных давлений при начальных нагрузках криволинейна, по оси нагрузки принимает минимальное значение, увеличиваясь к краям подошвы фундамента. Эпюры на этом этапе похожи на соответствующие эпюры контактных давлений из упругих решений, например, из решений Садовского или Абрамова для ленточных штампов на линейно-упругом основании (конечно, экспериментальная эпюра без бесконечных значений на краях фундамента). При дальнейшем росте нагрузки на фундамент эпюра контактных напряжений трансформируется, давления по оси нагрузки растут, а давления под краями фундамента падают, эпюра приобретает почти параболообразную форму, выпуклостью вниз. Известные из научной литературы споры о форме эпюры контактных давлений могут быть разрешены указанием на различные отношения нагрузки, при которой регистрируются давления, к предельной нагрузке на основание.

Впервые полученная в Новочеркасской научной школе закономерность падения краевых давлений под подошвой фундамента с ростом нагрузки на фундамент приводит к важным выводам.  Из этой закономерности следует, что в основании появляются зоны разгрузки. Из этой закономерности и из трансформации эпюры контактных давлений следует, чтов точках основания траектории нагружения существенно криволинейны. Отсюда ясно, что целый ряд моделей грунтовой среды не может адекватно отразить взаимодействие фундамента с грунтовым основанием при возрастании нагрузки до предельной.       

Глубина сжимаемой толщи

         Метод послойного суммирования для определения осадки основания учитывает основные факторы, влияющие на деформирование оснований: напластование грунтов, модули деформаций грунтов, объемный вес грунтов, наличие или отсутствие грунтовых вод и т.д. Эта инженерная расчетная схема обобщается рядом авторов до «линейно-деформируемой модели» грунтового основания.

         Метод от одного нормативного документа к другому уточняется и видоизменяется. В Новочеркасской научной школе фундаментостроения также разработаны предложения по модернизации метода послойного суммирования, заключающиеся в учете структурной прочности грунта с целью приближения расчетных осадок к наблюдаемым осадкам.

         Неотъемлемым элементом метода послойного суммирования является понятие глубины сжимаемой толщи. Необходимость этого понятия вытекает хотя бы из того факта, что осадка основания в линейно-упругом решении для полосовой нагрузки бесконечно большая.

         Были проведены экспериментальные исследования в лотке по исследованию глубины сжимаемой толщи. По оси нагрузки измерялись деформации [6]. Осадка круглого штампа с высокой точность совпадала с площадью эпюры вертикальных деформаций, что говорило о малых погрешностях в измерении деформаций. Строились экспериментальные графики толщин слоев, которые давали 70%, 80%, 90%, 95% полной осадки, в зависимости от величины нагрузки на фундамент. Примерно до 0,3 от предельной нагрузки толщины слоев росли практически пропорционально нагрузке. При дальнейших нагрузках рост прекращался, толщина слоя в два диаметра штампа давала 80% полной осадки, а толщина слоя в три диаметра штампа давала 95% полной осадки.

         Необходимо подчеркнуть, что опыты проводились на плотных песках.

И результаты экспериментального определения глубины сжимаемой толщи для грунтовых оснований с меньшим углом внутреннего трения и, тем более, для грунтов, обладающих структурной прочности могут не подойти. Представляется, что для таких грунтовых оснований глубина сжимаемой толщи окажется меньше. Косвенным основанием для такой гипотезы является тот факт, что в обобщенном решении Прандтля для жесткопластической средыглубина проникновения пластических зон тем больше, чем больше угол внутреннего трения грунта.

Схемы разрушения и проблема несущей способности

железобетонных фундаментов

         При возрастающей нагрузке железобетонные конструкции, в том числе и гибкие железобетонные фундаменты, разделяются трещинами в бетоне на жесткие части, соединенные пластическими шарнирами. Для прямоугольных фундаментов, армированных стандартными сетками, были найдены схемы разрушения и кинематика частей фундамента при около предельных нагрузках.

         В нормативной и учебной литературе существовали призывы к совместным расчетам фундаментов и грунтовых оснований и даже сооружений и грунтовых оснований. На практике дело сводилось к расчету балок и плит на местном упругом основании или на общем упругом основании. В настоящее время с помощью программных комплексов, например ПК SCAD, проводят расчеты сооружения, его фундаментов и грунтового основания совместно, пользуясь линейно-упругой моделью среды.

         Однако нормативные документы пользовались понятием «несущая способность ж/б фундамента» и понятием «предельное сопротивление грунтов основания». Причем первая величина не зависела от прочностных характеристик грунта, а вторая предполагала равномерную распределенность давлений под подошвой фундамента. Ясно, что эти величины не совпадали друг с другом.

         Опираясь на найденные схемы разрушения фундамента, зная экспериментальную форму эпюры контактных давлений под подошвой фундамента при около предельных нагрузках, в Новочеркасской научной школе был разработан кинематический метод предельного равновесия. С помощью этого метода определялась «несущая способность фундамента».

Форма эпюры задавалась для центрально нагруженного фундамента треугольной (пирамидальной), для внецентренно нагруженного фундамента максимум эпюры смещался к оси нагрузки, а под более нагруженным краем эпюра принимала некоторое конечное значение. Площадь (объем) эпюры равнялся силе, действующей на фундамент. Согласно одной из теорем А.А.Гвоздева, их равенства мощности внутренних сил пластического деформирования и мощности внешних сил (к внешним силам относились и контактные давления) и определяли предельную силу на фундамент.

         Полученные значения соответствовали опытным данным лотковых испытаний и, конечно, значительно превышали нормативную «несущую способность фундамента». И опыты, и расчеты по кинематическому методу предельного равновесия выявили неучтенные нормативными методами запасы прочности железобетонных фундаментов.

         Но можно ли пользоваться разработанным методом в случае других грунтовых оснований, отличных от плотных песчаных оснований?

         Другой подход к решению данной задачи[ ] заключается в поиске предельной нагрузки на систему «железобетонный фундамент – грунтовое основание». Обе теоремы А.А. Гвоздева относятся к рассматриваемой системе как к обобщенному «телу», прочностные характеристики которого в разных частях различны. Предельная нагрузка на пластическую систему зависит от прочностных параметров грунта, от прочности бетона и арматуры, от геометрических размеров и конструктивных особенностей фундамента.

         Для определения предельной нагрузки находятся нижние и верхние оценки несущей способности пластической системы.

Сводится ли осимметричная задача к двухмерной задаче?

         В научной литературе и на конференциях встречаются работы, в которых осесимметричная задача сводится к двухмерной с условием прочности Кулона-Мора, в которое входят наибольшее и наименьшее главные напряжения. Приближенные результаты часто получают в предположении  s_r= s_q. На рис.7  представлены результаты измерений напряжений в массиве грунта под круглым штампом.

         Видно, что изолинии главного напряжения s_q пересекают изолинии компоненты s_r. Следовательно, есть области, в которых s_qявляется промежуточным главным направлением, и есть области, в которых s_q следует использовать в условии Кулона-Мора.Значит площадки скольжения в одной области перпендикулярны площадкам скольжения в другой области. Другими словами, есть экспериментальные данные, которые противоречат приему сведения осесимметричной задачи к двухмерной при расчете предельной нагрузки на круглый фундамент.