УДК 624.131.54
К совершенствованию существующих методов расчета осадок оснований зданий и сооружений |
Е. С. УТЕНОВ, д. т.н., профессор, Д. А. КУДАБАЕВ, магистрант, Н. А. ЖЕТПИСБАЕВ, магистрант, А. А. МАЖЕНОВ, магистрант, Карагандинский государственный технический университет, кафедра СиЖКХ |
Ключевые слова: грунт, основание, фундамент, расчет, осадка, достоверность, надежность
радиционным методам расчета осадок оснований фундаментов, в том числе регламентируемым строительными нормами, присущи следующие глав - ные недостатки: 1) существенное расхождение вели - чины идеализированной (теоретической) глубины активной зоны основания, условно принимаемой для расчета осадок этими методами от фактической (экс - периментальной) глубины уплотнения основания; 2) неопределенность в выборе характеристик сжимаемо - сти грунта для расчета осадок основания; 3) неполный учет действительного напряженного состояния (ком - понентов напряжений) грунтов основания при расчете осадок; 4) непригодность для расчета осадок фунда - ментов с учетом локальных изменений сжимаемости и напряженного состояния в их основании, обусловлен - ных факторами природного и техногенного характера;
непрозрачность расчетной схемы, то есть решение задачи через черный ящик.Значительное расхождение величины идеализиро - ванной (теоретической) глубины активной зоны осно - вания, условно принимаемой для расчета осадок эти - ми методами от фактической (экспериментальной) глубины уплотнения основания можно объяснить следующим. Используемые в практике проектирова - ния методы расчета осадок, базирующиеся на теории линейно деформируемых тел, не позволяют оценивать фактические размеры сжимаемой зоны основания, так как согласно исходным предпосылкам используемой теории они предназначены для расчета условного, идеализированного грунта основания, поэтому их
результаты дают, как правило, весьма завышенные значения с расхождением более чем в 1,5 … 2,5 раза [1]. По этой причине традиционные методы не прием - лемы для определения осадок зданий, проектируемых в сложных условиях существующей застройки, в частности, с учетом локальных изменений сжимаемо - сти и напряженного состояния основания, обуслов - ленных факторами техногенного характера (влияние уплотненности или подтопления грунта и надстройки, пристройки зданий). Например, действительные раз - меры локальных зон реального основания, подвер - женных изменениям различного рода, не корректно непосредственно перенести на активную зону идеали - зированного основания, рассматриваемого указанны - ми методами расчета осадок. В то же время, как пока - зывают эксперименты, теория линейно деформируе - мых тел вполне применима для оценки фактического напряженного состояния реальных грунтовых основа - ний с расхождением менее 20 % [2].
Неопределенность в выборе характеристик сжи - маемости грунта для расчета осадок основания заклю - чается в следующем. При расчете осадок оснований традиционными методами к большим погрешностям также приводят «производные» (вычисляемые) харак - теристики сжимаемости (mo, mv, Eoed, ?) грунта, полу - чаемые применением множества вычислений на осно - ве принятого ряда допущений. В результате такого подхода устанавливаемые на начальном этапе опыт - ным путем исходные достоверные характеристики, отражающие действительные законы уплотнения ре-
1 ? 2013 73
альных грунтов на конечном этапе входят в расчет со значительным искажением, в частности, известное спрямление участка компрессионной кривой, прини - маемое до сих пор в практике геотехнических изыска - ний, приводит к существенному уменьшению вычис - ляемой осадки (иногда более 30 %) или искажению значений компрессионного модуля грунта Eoed, осо - бенно при его замачивании, что установлено нашими исследованиями [3].
До сих пор в практике проектирования при расче - те осадок зданий согласно строительным нормам ис - пользуется значение компрессионного модуля грунта Eoed с повышающим коэффициентом mk = 2…6 при давлениях на основание 0,1…0,3 МПа, здесь mk = ЕPLT / Eoed, где ЕPLT – штамповый модуль грунта [4]. Отсюда неопределенность в вопросе выбора для расчета осадок проектируемых фундаментов модуля деформации грунта основания: лабораторного или полевого.
Неполный учет действительного напряженного состояния (компонентов напряжений) грунтов осно - вания при расчете осадок объясняется следующим.
При расчете осадок фундаментов по традицион - ным методам главной задачей ставится определение перемещений грунтов от действия вертикальных напряжений ?Z. Однако в действительности осадка фундамента происходит за счет объемного уплотне - ния грунтов основания в пределах ограниченной зоны от результирующего действия всех компонентов напряжений. Этому подтверждение – замеренные размеры зоны уплотнения грунтов под опытными фундаментами значительно выходят за пределы изо - бары ?1 = ?str, где ?str – прочность структурных связей грунта при сжатии [3]. Причем градиенты плотности грунта в деформируемой области основания распре - деляются радиально в соответствии с подобным ха - рактером перемещений частиц грунта относительно центра подошвы загруженного фундамента. Нами предложено оценивать фактические размеры уплот - ненной зоны основания ленточных фундаментов по изобарам наибольших главных напряжений ?1 = ?str, имеющим очертание в виде окружности, которые более близко отражают экспериментальные данные
области основания различными факторами природно - го или техногенного характера [3].
Предположим, что осадку фундамента составит суммарное сжатие элементарных объемов грунта, расположенных в пределах активной зоны основания, определяемой из условия ?1 = ?str под действием глав - ных напряжений, возникающих в каждом из них от внешней нагрузки при полном загружении фундамен - та под действием внешней нагрузки.
При принятии такого предположения для опреде - ления объемных осадок оснований могут быть ис - пользованы следующие схемы учета реального закона уплотнения грунтов:
схема 1, согласно которой уплотнение грунта происходит под действием главных напряжений?1 > ?2 > ?3 в условиях трехосного сжатия, что имеет место в основании реальных фундаментов или при испытании образцов в стабилометре;
схема 2, когда уплотнение грунта вызвано дей - ствием главных напряжений ?1 > ?2 = ?3 = ?0?1, что соответствует условию компрессионного сжатия грунта.Анализ характера изменения коэффициента ? в пределах активной зоны основания ленточного фун - дамента по направлениям действия ?1 для приведен - ных случаев напряженного состояния показывает, что в отличие от данных экспериментов решение теории упругости приводит к резкому уменьшению этого показателя. В то же время для случаев «чистого» и компрессионного сжатия характерно постоянное зна - чение коэффициента ? = const.
Нами предложена расчетная схема основания (см. рисунок), наиболее близко отражающая механические свойства реальных грунтов. При этом в основу пред - лагаемого метода расчета осадок положены следую - щие исходные предпосылки:
основание состоит из реальных грунтов, отли - чающихся пористостью, дисперсностью, изменчиво - стью свойств и состояния при эксплуатации; уплотнение грунта в любой точке основания происходит в направлении действия максимального сжимающего напряжения ? m a x из всех его возможных[5].
значений согласно условию
? m ax = ? i
(где ? i
i 1 1
[6] экспериментально установ - лено, что зона деформации уплотнения грунтов под квадратными фундаментами имеет шарообразную форму. Им предложен метод расчета осадок основа - ний фундаментов по условию равенства работ внеш - них и внутренних сил. Однако данный метод носит сугубо эмпирический характер, требует проведения специальных опытов, имеет узкую область примене - ния и поэтому не приемлем для решения поставлен - ных нами задач.
На основе результатов теоретических и экспери - ментальных исследований механизма взаимодействия фундамента с основанием нами разработан новый («безмодульный») метод определения осадок ленточ - ных фундаментов, позволяющий вести расчет без применения модуля деформации грунта, но с учетом локальных изменений сжимаемости и напряженного состояния грунта, вызываемых в пределах активной
наибольшее главное напряжение) в соответствии с законом изменения пористости грунта e = f (? i ) в
принятом диапазоне напряжений, действующих в рассматриваемых зонах I, II, III (условно для нагляд - ности приняты три зоны);
осадка фундамента обусловлена уменьшением пористости грунтов вследствие объемного их сжатия результирующим действием напряжений в пределах активной зоны основания, определяемой из условия?1 = ?str, и представляет сумму объемных осадок от - дельных зон (I, II, III), отличающихся по степени за - груженности.
В соответствии с принятой расчетной схемой ос - нования и фундамента из рассмотрения условия ра - венства объемов твердых минеральных частиц грунта до и после его уплотнения в пределах каждой из вы - деленных зон I, II, III …i нами получена формула для
74 Труды университета
расчета осадки ленточного фундамента [3]:
Раздел «Строительство. Транспорт»
опытной кривой, используемые при расчете осадки по
1 i = n ?
1 + е iз ?
новой методике
