Деформации грунтов и расчет осадок фундаментов

Обновлено: 27.04.2024

В общем случае под термином деформация понимают изменение формы объекта наблюдений. В геодезической же практике принято рассматривать деформацию как изменение положения объекта относительно какого-либо первоначального.

Под постоянным давлением от массы сооружения грунты в основании его фундамента постепенно уплотняются (сжимаются) и происходит смещение в вертикальной плоскости или осадка сооружения. Кроме давления от собственной массы, осадка сооружения может быть вызвана и другими причинами: карстовыми и оползневыми явлениями, изменением уровня грунтовых вод, работой тяжелых механизмов, движением транспорта, сейсмическими явлениями и т. п. При коренном изменении структуры пористых и рыхлых грунтов происходит быстро протекающая во времени деформация, называемая просадкой.

В том случае, когда грунты под фундаментом сооружения сжимаются неодинаково или нагрузка на грунт различная, осадка имеет неравномерный характер. Это приводит к другим видам деформаций сооружений: горизонтальным смещениям, сдвигам, перекосам, прогибам, которые внешне могут проявляться в виде трещин и даже разломов.

Для определения абсолютных или полных осадок S фиксированных на сооружении точек периодически определяют их отметки Н относительно исходного репера, расположенного в стороне от сооружения и принимаемого за неподвижный. Очевидно, чтобы определить осадку точки на текущий момент времени относительно начала наблюдений, необходимо вычислить разность отметок, полученных на эти моменты, т. е. S = Hтек - Hнач. Аналогично можно вычислить осадку за время между предыдущим и последующим периодами (циклами) наблюдений.

Средняя осадка Sср всего сооружения или отдельных его частей вычисляется как среднее арифметическое суммы осадок всех n его точек, т. е. . Одновременно со средней осадкой для полноты общей характеристики указывают наибольшую Sнаиб и наименьшую Sнаим осадки точек сооружений.

Неравномерность осадки может быть определена по разности осадок ΔS для двух точек 1 и 2, т. е. ΔS1-2= S2 – S1.

Основания и фундаменты зданий и сооружений на насыпных грунтах рассчитываются по деформациям исходя из того, чтобы полная осадка фундамента на насыпном грунте не превышала предельно допустимой для проектируемого здания или сооружения. При этом полная осадка s_f фундамента подсчитывается как сумма осадок, вызванных его нагрузкой и дополнительными факторами:

где s — осадка фундамента от его нагрузки, определяемая по указаниям гл. 5; s_f1 — дополнительная осадка основания от самоуплотнения насыпных грунтов от собственного веса; s_f2 — то же, вследствие замачивания, снижения уровня подземных вод; s_f3 — то же, при разложении органических включений; s_f4 — то же, за счет уплотнения подстилающих грунтов от веса насыпи.

Дополнительные осадки s_f1, s_f2 приближенно допускается определять по формуле

где γ_c1,c2 — коэффициенты уплотняемости насыпного грунта, принимаемые по табл. 11.15; β = 0,8 — безразмерный коэффициент; σ_zg — среднее вертикальное напряжение в насыпном грунте от его собственного веса: σ_zg = 0,5γh ( γ — среднее значение удельного веса насыпного грунта в водонасыщенном состоянии); h — толщина слоя насыпного грунта под фундаментом; E — среднее значение модуля деформаций насыпного грунта.

Насыпные грунты	γ_c1	γ_c2
Пески, шлаки и т.п.: неслежавшиеся слежавшиеся	0,4 0,0	0,15
Пылеватые пески, глинистые грунты, золы и т.п.: неслежавшиеся слежавшиеся

Дополнительная осадка s_f3 при содержании в насыпных грунтах органических включений от 0,03 до 0,1 вычисляется по формуле

где η — коэффициент, учитывающий условия залегания органических включении в насыпных грунтах, приближенно принимаемый равным 0,75; k₀ — коэффициент, учитывающий возможность разложения органических включений и принимаемой: для водонасыщенных насыпных грунтов k₀ = 0,2, а для остальных k₀ = 0,5; w — среднее содержание органических включений а насыпных грунтах; γ_d — удельный вес грунта в сухом состоянии; γ_s — удельный вес частиц грунта; h — толщина лежащего ниже подошвы фундамента слоя насыпного грунта, содержащего органические включения, подвергающиеся разложению.

Дополнительные осадки за счет уплотнения подстилающих насыпь грунтов допускается не учитывать, если давность отсыпки насыпных грунтов превышает 1 год для песчаных грунтов, 2 года для глинистых грунтов, залегающих выше уровня подземных вод, и 5 лет, находящихся ниже уровня подземных вод.

Расчетные сопротивления насыпных грунтов, представляющих собой планомерно возведенные насыпи, а также отвалы грунтов и отходов производств, определяются по формуле (5.29) с учетом степени самоуплотнения грунтов, неоднородности их состава и сложения, принятых методов подготовки оснований с использованием прочностных характеристик грунтов при их полном водонасыщении. Предварительные размеры фундаментов зданий и сооружений, возводимых на слежавшихся насыпных грунтах, назначаются исходя из условий расчетных сопротивлений R₀ (табл. 11.16).

Виды насыпных грунтов	R₀ , МПа
	крупных, средних, мелких песков, шлаков и т.п. при S_r		пылеватых песков, глинистых грунтов, золы и т.п. при S_r
	≤ 0,5	> 0,8	≤ 0,5	> 0,8
Планомерно возведенные с уплотнением насыпи	0,25	0,2	0,18	0,15
Отвалы грунтов и отходов производств: после уплотнения без уплотнения	0,25 0,18	0,2 0,15	0,18 0,12	0,15 0,1
Свалки грунтов и отходов производств: после уплотнения без уплотнения	0,15 0,12	0,12 0,1	0,12 0,1	0,1 0,08

Примечания: 1. Значения R₀ относятся к фундаментам с глубиной заложения h₁ = 2 м. При глубине заложения фундаментов h < 2 м значения R₀ умножаются на коэффициент γ_g = (h + h₁)/(2h₁) .

2. Значения R₀ приведены для свалок грунтов и отходов производств с содержанием органических включений не более 0,01.

3. Для неслежавшихся отвалов и свалок грунтов и отходов производств значения R₀ умножаются на 0,8.

4. Значения R₀ для промежуточных значений S_r допускается определять по интерполяции.

Условными значениями R₀ допускается пользоваться также и для назначения окончательных размеров фундаментов зданий с нагрузкой на столбчатые фундаменты до 400 кН и ленточные до 80 кН/м.

Наибольшие давления на насыпные грунты у края подошвы внецентренно загруженного фундамента не должны превышать для планомерно возведенных насыпей, песчаных и других подушек 1,2 R , а для отвалов и свалок грунтов и отходов производств — 1,1 R .

При устройстве песчаных, гравийных и других подушек, при уплотнении насыпных грунтов, а также при залегании в нижней части сжимаемой толщи грунтов с меньшими прочностными характеристиками расчетные сопротивления грунта основания уточняются из условия, чтобы полное давление от собственного веса лежащего выше грунта и нагрузки, передаваемой фундаментом на подстилающие насыпные (неуплотненные) или естественные грунты, не превышало расчетного сопротивления этих грунтов.

Пример 11.6. Определить полную осадку фундамента под колонну промышленного здания, имеющего размеры подошвы 3×4,2 м; среднее давление на грунт р = 0,18 МПа и глубину заложения h = 2 м. Здание возводится на участке, сложенном состоящими из отвалов золы ТЭЦ грунтами, образованными гидронамывом, давность намыва составляет 2 года. Толщина слоя намытых грунтов в месте расположения фундаментов равняется 8,7 м. Намытые грунты подстилаются мелкими пылеватыми песками. Среднее значение модуля деформации намытых грунтов по данным испытаний штампами на глубине 2 и 4 м равняется 8,5 МПа. Основные физико-механические характеристики намывных грунтов: γ_s = 26,2 кН/м 3 ; γ_d = 14 кН/м 3 ; γ = 17 кН/м 3 ; w = 0,21; ω = 0,08.

Решение. Определяем осадку фундамента от передаваемых им нагрузок на основание в соответствии с требованиями гл. 5. Результаты промежуточных вычислений сводим в табл. 11.17.

z	ζ	α	σ_zg	σ_zp	σ´_gp
0	0	1	0,034	0,146	0,18
1	0,67	0,892	0,051	0,130	0,181
2	1,34	0,618	0,068	0,090	0,158
3	2	0,414	0,085	0,060	0,145
4	2,67	0,282	0,102	0,041	0,143
5	3,30	0,173	0,126	0,025	0,151
6,7	4,40	0,122	0,148	0,018	0,166

Глубина сжимаемой толщи H_c = 5,4 м. Осадка от нагрузки фундамента

По формуле (11.13) и табл. 11.17 определяем дополнительные осадки s_f1 и s_f2 как для неслежавшихся насыпных грунтов при σ_zp = 0,16 МПа

s_fl = 0,6 · 8 · 0,16 · 670/8,5 = 6,1 см;

s_f2 = 0,2 · 0,8 · 0,16 · 670/8,5 = 2 см.

Определяем дополнительную осадку s_f3 по формуле (11.14):

s_f3 = ηk₀w γ_dh/γ_s = 0,75 · 0,5 · 0,08 · 14 · 670/26,2 = 10,8 см.

Полную осадку фундамента вычисляем по формуле (11.12) при s_f4 = 0:

s_f = s + s_f1 + s_f2 + s_f3 + s_f4 = 4 + 6,1 + 2 + 10,8 = 22,9 см.

Деформации грунтов под нагрузкой сопровождаются сложными процессами. Эти процессы приводят к деформациям, которые делят на упругие, т.е. исчезающие после снятия нагрузки, и остаточные.

Деформационное свойство характеризует поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические. Эти нагрузки не приводят к разрушению грунтов. При малых изменениях давления зависимость между деформациями и напряжениями может приниматься линейно. Все виды деформации могут быть распределены на 2 группы:

1 Деформация и сжатие, при которых частицы сближаются, укладываясь более плотно.

2 Деформация сдвига сопровождается смещением частиц , изменением их взаиморасположения.

В толще деформируемого грунта происходят следующие виды перемещений:

1 Взаимное смещение структурных агрегатов и частиц с разрушением удерживающих их связей.

2 Обжатие и разрушение структурных агрегатов, связанные с уплотнением грунта.

3 Выжимание свободной воды и воздуха из пор грунта с уменьшением пористости.

4 Сжатие и выжимание пленок адсорбируемой воды в точках соприкосновения частиц.

5 Сжатие и частичное растворение в воде пузырьков воздуха, защемленного в порах грунта.

Полностью пластическими, т.е. необратимыми деформациями, является взаимный сдвиг грунтовых частиц, разрушение структурных элементов, выталкивание воздуха из грунта. К упругим, т.е. обратимым деформациям, относятся сжатие в результате выталкивания воды, сжатие защемленных объемов воздуха, упругие деформации грунтовых частиц и деформация пленок связанной воды.

В результате строительства сооружения, даже если прочность грунта обеспечена, возникают деформации основания. Как правило, они имеют неравномерный характер и вызывают перераспределение усилий в конструкциях сооружения. При определенных условиях это может затруднить нормальную эксплуатацию сооружения, а в некоторых случаях даже привести к его аварии.

Количественное прогнозирование деформаций системы «сооружение – основание» представляет собой одну из наиболее сложных задач механики грунтов.

Первая стадия строительства всегда заключается в отрытии котлована под сооружение. При этом происходит разгрузка грунта ниже поверхности дна котлована на величину γd, где γ – удельный вес грунта, d – глубина котлована, и в соответствии с этим подъем дна котлована. Естественно, что чем глубже котлован, тем интенсивнее проявляется разгрузка грунта, причем величина подъема дна будет неравномерной по ширине котлована – наименьшей вблизи подошвы откоса и наибольшей в среднем сечении. Выберем некоторое сечение и обозначим величину подъема через r (риc. 7.1, а).

Следующую стадию строительства – возведение сооружения – можно условно разделить на два этапа: первый – когда нагрузка от строящегося сооружения достигает величины γd, соответствующей весу извлеченного грунта, и второй – когда после завершения строительства нагрузка возрастет еще на величину p–γd, где р – среднее напряжение под подошвой построенного сооружения.

Рис. 7.1 – Этапы строительства и эксплуатации сооружения, соответствующие им нагрузки и деформации основания

На первом этапе увеличение нагрузки вызовет осадку основания в рассматриваемом сечении на величину s₁ от положения дна котлована, определенного его подъемом (рис. 7.1, б). Возрастание нагрузки на втором этапе приведет к дальнейшему увеличению осадки s₂ уже от нового положения дна котлована (рис. 7.1, в).

Наконец, после завершения строительства в процессе эксплуатации сооружения возможны дополнительные воздействия (надстройка сооружения, изменение состояния грунтов основания, строительство новых сооружений вблизи построенного и т. п.). Эти воздействия приведут к дополнительным деформациям основания построенного сооружения. Например, строительство соседнего сооружения вызовет дополнительную местную нагрузку на основание р', которая приведет к развитию дополнительной неравномерной по длине построенного сооружения осадки s₂ (рис. 7.1, г).

Полная деформация в некотором вертикальном сечении сооружения, отсчитываемая от проектного уровня подошвы фундамента, для рассматриваемого примера будет равна (7.1) причем каждая составляющая этой деформации при известных значениях нагрузок на каждом этапе строительства и известных закономерностях деформирования грунта при его нагружении и разгрузке может быть определена.

Важно отметать, что приведенный пример сильно упрощает реальную обстановку строительства. Здесь не учитывались многие факторы, имеющие место в действительности и оказывающие влияние на деформации грунтов основания. К ним прежде всего относятся: пространственная жесткость сооружения и возможность передачи различных нагрузок на основание через отдельные фундаменты; неоднородность напластования и свойств грунтов в пределах пятна застройки; скорость приложения нагрузок в процессе строительства и длительность развития осадок грунтов и т. п. Все эти факторы приводят к значительному усложнению рассматриваемой картины, поэтому проблема прогноза деформаций оснований сооружений в целях инженерного проектирования основывается сейчас на ряде упрощающих предпосылок.

Под абсолютными перемещениями понимают осадку основания отдельного фундамента s и горизонтальное перемещение фундамента (или сооружения) u. К относительным перемещениям относят средние осадки основания сооружений, относительную разность осадок двух фундаментов, крен фундамента и т. п. Относительные деформации могут быть найдены при определенных для различных фундаментов или сечений значениях абсолютных перемещений. Поэтому основные методы, рассматриваемые здесь, посвящены определению величины абсолютных перемещений оснований отдельных фундаментов.

Расчет оснований фундаментов по деформациям в настоящее время производится исходя из условия

(7.2)

где s – совместная деформация (осадка, горизонтальное перемещение и т. п.) основания и фундамента (сооружения), определенная расчетом; s_u — предельное значение этой величины, устанавливаемое соответствующими нормативными документами или требованиями проекта.

Правила проектирования фундаментов сооружений в соответствии с условием (7.2) будут приведены в следующем семестре. Здесь же рассматриваются способы определения левой части этого неравенства.

Выше неоднократно отмечалось, что опытная зависимость между осадками поверхности грунтового основания и действующими нагрузками s=f(p) имеет нелинейный характер.

Было установлено, что в некотором интервале нагрузок, соответствующем фазе уплотнения грунта в основании, эта зависимость близка к линейной и развитие осадок во времени всегда имеет затухающий характер. В качестве максимального значения среднего давления р под подошвой фундамента, соответствующего границе фазы уплотнения, в настоящее время принимается расчетное сопротивление грунтов основания R. Это обосновывает возможность использования математического аппарата теории линейного деформирования грунтов для расчетов напряжений и деформаций оснований при p≤R. Процесс строительства сооружения при этом рассматривается как одноразовое нагружение грунтов основания, вызывающее их общее деформирование без разделения на восстанавливающуюся и пластическую составляющие деформаций грунтов.

Несмотря на определенные недостатки, такой подход существенно упрощает математический аппарат расчетов деформаций.

Таким образом, одной из важнейших предпосылок методов расчета деформаций грунтов является ограничение среднего давления под подошвой фундамента условием p≤R.

Другой важной предпосылкой расчетов деформаций грунтов является введение понятий о стабилизированных и нестабилизированных (развивающихся во времени) перемещениях. Во многих случаях для инженерной практики представляют интерес только наибольшие (конечные, стабилизированные) перемещения, а время, в течение которого происходит стабилизация деформаций, не имеет существенного значения. Такое ограничение в постановке задачи также приводит к значительному упрощению расчетов.

В то же время не всегда удается ограничиваться определением только конечных величин осадок. Поясним сказанное на примере. Пусть имеется сооружение (рис. 7.2, а), фундамент 1 которого расположен на водонасыщенных глинистых, а фундамент 2 – на песчаных грунтах. Пусть также характеристики деформационных свойств грунтов, действующие нагрузки и размеры фундаментов таковы, что конечные осадки s₁ и s₂ будут практически одинаковы и равны s_∞ (рис. 7.2, б). Однако, поскольку время развития осадок водонасыщенных грунтов связано со скоростью фильтрации воды в грунте, а процессы фильтрации в глинистых грунтах протекают существенно медленнее, чем в песчаных, характер кривых s = f(t) для этих фундаментов будет совершенно различным. Может оказаться так, что осадка фундамента 2 стабилизируется в течение срока строительства t, а осадка фундамента 1 к этому времени достигнет лишь некоторой доли конечной величины. Тогда к моменту окончания строительства разность осадок этих фундаментов Δs_t, может оказаться существенно больше, чем предельная для данного типа сооружения величина Δs_u. При этом сооружение может перестать соответствовать предъявленным к нему требованиям нормальной эксплуатации или даже претерпеть аварию, не достигнув времени стабилизации осадок обоих фундаментов.

Рис. 7.2. Схема сооружения и развитие осадок разных фундаментов во времени

В этом случае расчетом должен быть получен прогноз развития осадок каждого фундамента во времени и проведен анализ неравномерности деформаций сооружения для наиболее опасных периодов его строительства и эксплуатации. Такие расчеты выполняются в соответствии с теорией фильтрационной консолидации грунтов.

Наконец, может возникнуть и еще более сложная ситуация, когда требуется учесть поэтапность возведения сооружения. Простейший случай такой задачи был рассмотрен в начале (подъем дна котлована при его разработке и последующая осадка при строительстве сооружения). Может также понадобиться определить осадку сооружения при p>R. Подобные задачи достаточно точно решаются с помощью нелинейной механики грунтов.

Определение конечных осадок фундаментов по методу послойного суммирования .

Расчет осадок методом послойного суммирования. Этот метод (без возможности бокового расширения грунта) рекомендован нормативными документами и является основным при расчетах осадок фундаментов промышленных зданий и гражданских сооружений. Ниже рассматриваются порядок вспомогательных построений и последовательность расчетов применительно к расчетной схеме на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Литологическая колонка и расчетная схема для определения осадок методом послойного суммирования: DL – отметка планировки; NL – отметка поверхности природного рельефа; FL – отметка подошвы фундамента; WL – уровень подземных вод; B.C. – нижняя граница сжимаемой толщи; H_с – сжимаемая толща

Вначале производится привязка фундамента к инженерно-геологической ситуации основания, т. е. совмещение его оси с литологической колонкой грунтов. При известных нагрузках от сооружения определяется среднее давление на основание по подошве фундамента р. Затем, начиная от поверхности природного рельефа строится эпюра природного давления по оси фундамента. Зная природное давление в уровне подошвы фундамента _{σzg, 0}, определяют дополнительное вертикальное напряжение в плоскости подошвы фундамента:

В том же масштабе строят эпюру дополнительных напряжений по оси фундамента.

Построив эпюры природного давления и дополнительного напряжения, находят нижнюю границу сжимаемой толщи. Эту операцию удобно выполнять графически, для чего эпюру природного давления, уменьшенную в 5 или 10 раз (в зависимости от условия ограничения сжимаемой толщи), совмещают с эпюрой дополнительных напряжений. Точка пересечения линий, ограничивающих эти эпюры, и определит положение нижней границы сжимаемой толщи.

Сжимаемую толщу основания разбивают на элементарные слои так, чтобы в пределах каждого слоя грунт был однородным. Обычно толщину каждого элементарного слоя h_i принимают не более 0,4 b. Зная дополнительное напряжение в середине каждого элементарного слоя σ_zp,u по формулам (7.6) или (7.7) определяют сжатие этого слоя. Нормы допускают принимать значения безразмерного коэффициента S равным 0,8.

где – относительный коэффициент сжимаемости грунта элементарного слоя; h = Δz.

Модуль деформации Е или относительный коэффициент сжимаемости m_v определяют по компрессионной кривой в зависимости от природного давления и дополнительного напряжения в середине каждого элементарного слоя грунта. При наличии для каких-либо пластов грунта данных испытаний пробной статической нагрузкой, статическим или динамическим зондированием модуль деформации определяют по формулам.

Общая осадка фундамента находится как сумма величин сжатия каждого элементарного слоя в пределах сжимаемой толщи по формулам

где n — число слоев в пределах сжимаемой толщи; h_i — толщина i-ro слоя грунта; Е_i — модуль деформации i-го слоя грунта; m_vi — относительный коэффициент сжимаемости i-гo слоя грунта; β=0,8. Если в формулах (7.13) принять характеристики деформируемости грунтов постоянными, то легко убедиться, что осадка основания будет прямо пропорциональна площади эпюры дополнительных напряжений. Этот важный вывод всегда нужно иметь в виду при качественном анализе возможных вариантов устройства фундаментов.

Определение конечных осадок фундаментов по методу линейно деформируемого слоя конечной толщи на однородных и слоистых напластованиях грунта .

Расчет осадки основания методом линейно-деформируемого слоя разработан К.Е. Егоровым и применяется в следующих случаях:

1 В пределах сжимаемой толщи и основания, определенной с помощью метода послойного суммирования Н_с, залегает слой грунта с модулем деформации Е ≥100 МПа и толщиной h₁, удовлетворяющей условию

где Е₂ — модуль деформации грунта, подстилающего слой грунта с модулем деформации Е₁.

2 Ширина или диаметр фундамента b≥10 м и модуль деформации грунтов основания Е≤10 МПа.

Толщина линейно-деформируемого слоя H в первом случае принимается до кровли малосжимаемого грунта, во втором случае вычисляется по формуле

где Н_о и ψ – принимаются для оснований, сложенных пылевато-глинистыми грунтами – 9 м и 0,15 м; k_р – коэффициент, принимаемый равным k_р = 0,8 при среднем давлении под подошвой фундамента P = 100 кПа и k_р = 1,2 при Р = 500 кПа, а при промежуточных значениях – по интерполяции.

В случае, если в основании имеются глинистые и песчаные грунты, значение Н находят по формуле

Осадку основания с использованием расчетной схемы линейно-деформируемого слоя (рис. 7.13) определяют по формуле

где Р – среднее давление под подошвой фундамента (при b < 10 м принимается P – P₀); b – ширина прямоугольного или диаметр круглого фундамента; k_с — коэффициент, принимаемый в зависимости от относительной суммарной толщины деформирующихся слоев (2Н/b), определяется по таблице; k_m — коэффициент, зависящий от модуля деформации и ширины фундамента, принимается по таблице; k_i и k_i-1 – коэффициенты, определяемые по таблице в зависимости от формы подошвы фундамента, соотношения сторон и относительной глубины, на которой расположены подошва и кровля i-гo слоя; E_i — модуль деформации i-го слоя грунта.

Рис. 7.13. Схема к расчету осадки методом линейно-деформируемого слоя

Метод эквивалентного слоя. . (Н.А. Цытович 1934 год)

Метод эквивалентного слоя, предложенный Н.А. Цытовичем, позволяет определить осадку с учетом ограниченного бокового расширения. Эквивалентным слоем называется такая толща грунта hэ, которая в условиях невозможности бокового расширения (при загружении всей поверхности сплошной нагрузкой) дает осадку, равную по величине осадке фундамента, имеющего ограниченные размеры в плане при нагрузке той же интенсивности. Другими словами, в данном методе пространственная задача расчета осадок может заменяться одномерной. Мощность эквивалентного слоя зависит от коэффициента Пуассона v, коэффициента формы площади и жесткости фундамента ω и его ширины b.

Мощность эквивалентного слоя определяется по формуле

где А = (1-v)2 / 1-2v - коэффициент, зависящий от вида грунта; ω— коэффициент, зависящий от формы фундамента и жесткости; b — ширина фундамента.

Сочетание Aω в формуле называют коэффициентом эквивалентного слоя.

Осадку однородного основания определяют по формуле

где Р0 — дополнительное давление по подошве фундамента (рис. 7.14); mv — коэффициент относительной сжимаемости грунта.

Рис. 7.14. Расчетная схема к определению осадки методом эквивалентного слоя для неоднородного основания

В этом методе криволинейная эпюра 1 (см. рис. 7.14) распределения давления в основании с достаточной для практики точностью заменяется эквивалентной по площади треугольной эпюрой 2 с высотой Нс = 2hЭ, где Нс— мощность сжимаемой толщи.

Осадку неоднородного (слоистого) основания также определяют по формуле (7.22), с той лишь разницей, что в ней используют средневзвешенное значение коэффициента относительной сжимаемости, определяемой из условия, что в пределах сжимаемой толщи полная осадка равна сумме осадок, входящих в нее слоев. Значение средневзвешенного относительного коэффициента сжимаемости слоистого напластования грунтов находят из выражения

где hi — толщина i-го слоя грунта в пределах сжимаемой толщи; mvi — коэффициент относительной сжимаемости i-го слоя; zi — расстояние от нижней точки треугольной эпюры до середины i-го слоя (см. рис. 7.14).

Тогда осадка многослойного основания вычисляется по формуле

Достоинством метода Н.А. Цытовича является то, что он учитывает коэффициент поперечного линейного расширения (коэффициент Пуассона), содержащийся в произведении Aω, тогда как метод послойного суммирования не учитывает его, поскольку принятие β = 0,8 для всех грунтов нивелирует свойства всех грунтов.

Целью расчета оснований по деформациям является ограничение абсолютных и (или) относительных перемещений фундаментов и надфундаментных конструкций такими пределами, при которых гарантируется нормальная эксплуатация сооружения и не снижается его долговечность (вследствие появления недопустимых осадок, подъемов, кренов, изменений проектных уровней и положений конструкций, расстройств их соединений и т.п.). При этом имеется в виду, что прочность и трещиностойкость фундаментов и надфундаментных конструкций проверена расчетом, учитывающим усилия, которые возникают при взаимодействии сооружения с основанием.

Деформации основания могут быть следующими:

– осадки-деформации, происходящие в результате уплотнения грунта под воздействием внешних нагрузок (и в отдельных случаях собственного веса грунта) и не сопровождающиеся коренным изменением его структуры;
– просадки-деформации, происходящие в результате уплотнения и, как правило, коренного изменения структуры грунта под воздействием как внешних нагрузок и собственного веса грунта, так и дополнительно с ними действующих факторов, таких как замачивание просадочного грунта, оттаивание ледовых прослоек в замерзающем грунте и т.п.;
– подъемы и осадки — деформации, связанные с изменением объема некоторых грунтов при увеличении их влажности или воздействии химических веществ (набухание и усадка) и при замерзании воды в порах грунта (морозное пучение и оттаивание грунта);
– оседания — деформации земной поверхности, вызываемые разработкой полезных ископаемых, изменением гидрогеологических условий и т.п.;
– горизонтальные перемещения — деформации, связанные с действием горизонтальных нагрузок на основание (фундаменты распорных систем, подпорные стены и т.д.) или со значительными вертикальными перемещениями поверхности при оседаниях, просадках грунтов от собственного веса и т.п.

Деформации основания в зависимости от причин их возникновения подразделяются на два вида:

первый — деформации от внешней нагрузки на основание (осадки, просадки, горизонтальные перемещения);
второй — деформации, не связанные с внешней нагрузкой на основание и проявляющиеся в виде вертикальных и горизонтальных перемещений поверхности основания (оседания, просадки грунтов от собственного веса).

При проектировании следует учитывать, что деформации основания первого вида вызывают тем большие усилия в конструкциях сооружения, чем больше сжимаемость грунтов основания; при деформациях второго вида с увеличением сжимаемости грунтов основания усилия снижаются.

Наиболее опасны для конструкций сооружения неравномерные деформации основания, главными причинами возникновения которых для первого вида являются:

– неравномерная сжимаемость грунтов из-за их неоднородности, выклинивания и непараллельности залегания отдельных слоев, наличия линз, прослоев и других включений, неравномерного уплотнения грунтов, в том числе искусственных подушек и т.п.;
– различие в осадках основания в пределах и за пределами площадки загружения (особенно часто это происходит с основаниями, сложенными сильносжимаемыми грунтами, чем и объясняются многие случаи повреждений существующих зданий при возведении вблизи них новых сооружений);
– неравномерное увлажнение грунтов, в частности просадочных и набухающих;
– различие нагрузок на отдельные фундаменты, их размеров в плане и глубины заложения;
– неравномерное распределение нагрузок па полы производственных зданий, а также загрузка территории в непосредственной близости от сооружения;
– нарушения правил производства строительных работ, приводящие к ухудшению свойств грунтов; ошибки, допущенные при инженерно-геологических изысканиях и проектировании оснований и фундаментов, а также нарушение предусмотренных проектом условий эксплуатации сооружения.

Основные причины возникновения неравномерных деформаций оснований для второго вида — это повышение влажности грунтов в грунтовых условиях II типа по просадочности, наличие подземных горных выработок, изменение температурно-влажностного режима некоторых грунтов (например, набухающих), изменение гидрогеологических условий площадки, влияние динамических воздействий, например от городского транспорта и т.д.

Таким образом, среди причин, вызывающих неравномерные деформации основания, которые необходимо учитывать при проектировании, имеются не только инженерно-геологические и гидрогеологические факторы, но также конструктивные и технологические особенности проектируемых сооружений, способы производства работ по устройству оснований и фундаментов, особенности эксплуатации сооружений.

Расчет оснований по деформациям, как уже указывалось, должен производиться из условия совместной работы сооружения и основания. Деформации основания допускается определять без учета совместной работы сооружения и основания, т.е. без учета перераспределения нагрузок на основание конструкцией сооружения, в случаях, оговоренных в п. 5.3.

Совместная деформация основания и сооружения может характеризоваться: абсолютной осадкой основания отдельного фундамента s_i , средней осадкой основания сооружения ; относительной неравномерностью осадок Δs/L двух соседних фундаментов, т.е. разностью их вертикальных перемещений, отнесенной к расстоянию между ними (рис. 5.17); креном фундамента или сооружения в целом i — отношением разности осадок крайних точек фундамента к его ширине или длине (рис. 5.18); относительным прогибом или выгибом f/L — отношением стрелы прогиба или выгиба к длине однозначно изгибаемого участка сооружения (рис. 5.19); кривизной изгибаемого участка сооружения ρ = 1/R (см. рис. 5.19); относительным углам закручивания сооружения = Δβ/L (рис. 5.20); горизонтальным перемещением фундамента или сооружения в целом u . Аналогичные характеристики могут устанавливаться также и для просадок грунтов, подъемов их при набухании, оседаний земной поверхности и других деформаций.

Сложная деформация сооружения, возникающая вследствие неравномерных осадок основания, может быть разложена на отдельные составляющие, как это показано на рис. 5.21, где крен сооружения i = (s₆ — s₁)/L .

несущих конструкциях могут образоваться значительные повреждения в виде трещин , отрыва закладных деталей , крена всего сооружения . Развитие данных повреждений происходит , как правило , при значительных

неравномерных деформациях грунтового основания и нередко заканчивается обрушением здания или отдельных его частей .

Полностью избежать деформации грунтовых оснований невозможно . Как уже отмечалось выше ( лекция 4), современные осадочные отложения

обладают деформативностью в сотни и даже в тысячи раз больше чем конструкционные материалы . Из - за деформации грунтового основания , особенно если они неравномерные , предельное состояние в надземных конструкциях зачастую наступает гораздо раньше , чем потеря устойчивости основания .

В действующих нормах проектирования законодательно установлено , что расчет оснований и фундаментов по деформациям выполняется в обязательном порядке во всех случаях , для всех зданий и сооружений независимо от категории ответственности . Расчет по

деформациям фактически является определяющим при проектировании фундаментных конструкций .

расчете оснований по деформациям необходимо

что процесс деформирования грунта может растянуться на

значительный период времени . Этот период может измеряться

и даже сотнями лет . К примеру , неравномерные деформации

основания всемирно известной Пизанской башни были зафиксированы и в наше время спустя 800 лет после начала ее строительства .

Особо следует отметить и то обстоятельство , что под влиянием

техногенных факторов различного рода в основании уже существующих много лет зданий могут развиваться дополнительные неравномерные деформации с образование повреждений в несущих конструкциях . К таким

факторам можно отнести подтопление или осушение прилегающей

территории , появление источников динамических и вибрационных колебаний , строительство вблизи существующего здания новых сооружений и т . п .

12.2. Основные виды деформаций грунта

В зависимости от направления перемещений поверхности грунтового основания и фундаментных конструкций различают следующие виды деформации :

∙ Осадка (S) – вертикальное смещение грунта по направлению действия сил гравитации .

∙ Сдвиг ( U )– горизонтальное смещение фундамента и окружающего грунта .

∙ Подъем ( пучение ) (S’) – вертикальное смещение грунта вверх вследствие действия сил пучения или набухания грунтов .

∙ Крен (i) – неравномерная осадка фундамента или всего сооружения .

Рис . 12.1. Основные виды деформаций грунтового основания а ) – осадка ; б ) – сдвиг ; в ) – подъем

Осадка – основной вид деформации грунтовых оснований , которому

в механике грунтов уделяется наибольшее внимание .

12.3. Причины развития деформации грунта

Деформации грунтов могут быть вызваны различными причинами . Среди основных необходимо выделить следующие :

∙ Действие внешней нагрузки от сооружений ( давление на грунт от фундамента , пригрузка основания при планировке отсыпкой , давление от земляных сооружений и т . п .);

∙ Изменение влажности грунтов ( набухание и усадка , просадка грунтов );

∙ Расструктуривание грунтов под действием вибрационных или динамических колебаний ;

∙ Изменение температурного режима ( замораживание и оттаивание грунтов ).

В данной лекции мы будем рассматривать деформации Рассмотрим методы определения деформаций грунтов от действия внешних нагрузок .

В зависимости от вида сооружения , его размеров , соотношения сторон фундаментов нагрузки от сооружения можно рассматривать как :

∙ Местные – приложенная по ограниченной площади .

∙ Полосовые – от фундаментов протяженных конструкций и сооружений ( ленточные фундаменты , насыпи дорог , дамбами и пр .)

∙ Сплошные – приложенная на значительной по размерам площади

( длина и ширина нагрузки

сжимаемого слоя ). К примеру ,

подготовке территорий , сложенных слабыми грунтами .

12.4. Основные слагаемые деформаций

Грунт , как уже отмечалось ранее , представляет собой сложную многофазную систему . Объемные и сдвиговые деформации происходят как вследствие изменения объема составляющих грунт компонентов ( твердой , жидкой и газообразной фазы ) так и в результате изменения общей структуры грунта ( смещения твердых частиц относительно друг друга ).

В общем случае деформация основания от действия нагрузок может быть найдена как сумма следующих основных слагаемых :

δ el - упругие деформации изменения формы вследствие деформаций кристаллической решетки твердых частиц грунта , изменения толщины пленки связанной воды , сжатия замкнутых пузырьков воздуха , растворенного в паровой воде .

δ pe - остаточные деформации уплотнения грунта вследствие

перекомпоновки твердых частиц и уменьшения пористости грунта .

δ ch - остаточные деформации ползучести скелета грунта при

взаимном сдвиге твердых частиц .

Особые виды деформации набухания , пучения и т . п . которые

характерны для отдельных типов грунтов и проявляются при соответствующих условиях в данной лекции рассматриваться не будут .

Таким образом , полная осадка основания определяется как сумма

основных составляющих деформаций

S = S ec + S pe + S ch

Вклад каждой составляющей в общую осадку зависит от величины сжимающей нагрузки . При небольших нагрузках ( до структурной прочности грунта ) в основном развиваются упругие деформации . По мере

увеличения нагрузки определяющими становятся деформации уплотнения и затем деформации сдвига ( см . фазы напряженно - деформируемого состояния , лекция 8)

Однако определение деформаций грунта по сумме составляющих является очень сложной задачей , не нашедшей практического применения .

Упрощенный метод определения осадки рассматривает общие деформации основания без разделения их на упругие и остаточные .

Зависимость между напряжениями и деформациями принимается линейной ( согласно принципа линейной деформируемости грунта ), а

грунт рассматривается изотропным . При этом в качестве коэффициента

пропорциональности между напряжениями и деформациями будет выступать модуль общих деформаций Е 0 интегрально учитывающим и упругие и пластические деформации .

При этом необходимо помнить , что рассматриваемые ниже методы расчета осадок справедливы лишь при нагрузках , не превышающих предел пропорциональности , которым является начальная критическая нагрузка ( см . тема № 9).

12.5. Определение деформаций грунтовых оснований как линейнодеформируемой среды

12.5.1. Основные допущения при определении деформаций грунтового основания в линейной постановке

Основные допущения методов определения деформаций в линейной постановке можно сформулировать в виде :

∙ Осадка грунтового основания происходит лишь от действия

сжимающих нагрузок однократного приложения .

∙ Зависимость между напряжениями и деформациями принимается линейной .

∙ Нагрузка на основание не превышает предела пропорциональности ( начальной критической нагрузки ).

∙ Грунт рассматривается как изотропная среда .

∙ Грунт представляет собой полупространство , бесконечно простирающееся по глубине и в стороны .

12.5.2. Определение осадки однородного линейнодеформируемого полупространства

Исходной зависимостью при определении общих деформаций полупространства от местной нагрузки является формула Буссинеска для вертикальных перемещений точек лежащих на границе полупространства от сосредоточенной силы :

Читайте также: