Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2014 ч

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

УДК 624.15

Я.А. Пронозин, Е.С. Отраснова

(ФГБОУ ВПО Тюменский государственный архитектурно-строительный университет, г. Тюмень).

СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАСЧЕТА ОСАДКИ ПЛИТНЫХ ФУНДАМЕНТОВ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ.

Преобладание на большей территории юга Тюменской области слабых пылевато-глинистых водонасыщенных грунтов и тенденция возведения знаний повышенной этажности ведут к осложнению принятия решения в выборе наиболее целесообразного фундамента.

На одном из участков застройки микрорайона в г. Тюмени 17-ти этажными домами согласно инженерно-геологических изысканий плотные грунты залегают на глубину до 10 метров, а ниже идут напластования слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов на глубину более 30 м (табл. 1). Ни один из видов традиционных фундаментов не удовлетворяет условиям по нормативной осадке на данной территории.

Специалистами ТюмГАСУ под 17-ти этажный жилой дом был разработан вариант устройства сплошного фундамента мелкого заложения состоящего из ленточных фундаментов, объединенных пологими оболочками.

Первоначальный расчет подобного фундамента производился по методам, предложенным в нормативной литературе и сводился к расчету плитного фундамента.

Плитные фундаменты, снижая среднее давление под подошвой за счет большой площади резко увеличивают глубину сжимаемой толщи, т. е. вовлекают в работу глубокие, но при этом слабые, сильносжимаемые слои водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов, что приводит к значительному увеличению осадок.

351

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

При инженерно-геологических изысканиях, проектировании и строительстве сооружений установлен достаточно универсальный инженерный метод послойного суммирования для расчета осадок, который и определяет так называемую линейно-деформируемую модель грунтового основания.

Однако, практика показывает, что фактические осадки значительно меньше рассчитанных методом послойного суммирования [2] по причине не учета структурной прочности и недоучета влияния собственного веса грунта, что приводит к завышению расчетных осадок.

Грунты природного сложения уплотнены давлением вышележащих слоев. В результате уплотнения частицы грунта сближаются и между ними образуются водно-колоидные и хрупкие кристаллические связи. Суммарно эти связи придают грунту прочность. Это тоже необходимо учитывать при расчетах. [1]

Первоначально исследуемый фундамент был рассчитан по методу послойного суммирования, предложенному в СП [5] по формуле 1.

Значение расчетной осадки получилось равным 51 см.

Рис. 1. Распределения напряжений в массиве грунта при расчете по методу послойного суммирования

Глубина сжимаемой толщи в различных методах расчета осадок определяется по-разному. Наиболее естественно было бы вовсе не ограничивать сжимаемую толщу или ограничить ее снизу кровлей скальных грунтов, осад-

352

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

ки которых пренебрежимо малы. Последнее часто удается сделать, но далеко не всегда на практике изыскания доходят до границы скальных пород. Поэтому нормативные методы расчета вводят некоторые условные ограничения сжимаемой толщи.

Минимальное значение нижней границы сжимаемой толщи равно:

(4 0,1b) (4 0,1 17,6) 5,76м, при 10 < b < 60 м, а расчетное соста-

вило 16,8 м.

Достаточно очевидно, что малые толщины сжимаемых слоев в СП условны, не отражают реальной картины деформирования основания и потому, даже если они дают удовлетворительные результаты при прогнозе осадок, для расчета плит малопригодны. Физически достоверный метод расчета осадок не должен сильно зависеть от учета или неучета деформаций на больших глубинах, поскольку приложения деформации там должны быть весьма незначительны.

Обращаясь мысленно к физической картине, отметим, что непосредственно под фундаментом грунт, сцепленный с подошвой, не имеет боковых деформаций, т. е. находится в условиях компрессии.

Модуль деформации в данном контексте — это ключевой элемент модели, то, что связывает модель основания с моделями грунтов. Послойное суммирование допускает в принципе произвольную нелинейную связь между напряжениями и деформациями.

Упругий модуль (модуль разгрузки) превосходит упруго-пластический в 5... 10 раз.

Так называемый «штамповый» модуль , который и в СНиП 2.02.01-

83, и в СНиП 2.02.02-85 считается основным (и к нему при помощи коэффициентов Агишева-Игнатовой приводятся «компрессионные» модули), в рам-

ках модели оказывается величиной промежуточной между и, причем

он тем ближе к первому, т. е. тем больше, чем выше значение структурной прочности рстр вблизи подошвы.

Нами предложена методика основанная на том, что при дополнительном давлении не превышающем боковое давление грунта на данной глубине, остаточные (сдвиговые) деформации не происходят. Таким образом предлагается учитывать в каждом слое остаточные и упругие деформации с расчетным и упругим модулем деформации.

Далее нами предложена формула для определения осадки

вертикальное напряжение, характеризующие упругие деформации в грунте;

``zpi zpi ` zgi – среднее вертикальное напряжение, характеризующие ос-

353

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

таточные деформации в грунте; Ep[кПа] – расчетный модуль деформации грунта; Ев [кПа] – модуль деформации грунта по разгрузочной ветви.

Определение упругого модуля деформации представлены в табл. 2.

Рис. 2 .Эпюры, характеризующие упругие и остаточные деформации в грунте

354

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

При расчете данным методом осадка получилась равной 15 см, что соизмеримо с прогнозируемым значением конечной осадки – 9–11 см и значениями, полученными по итогам мониторинга, который проводился на всех этапах строительства 17-ти этажного дома.

К настоящему моменту здание возведено полностью (период строительства 1 год) и приложено 90 % нагрузки, что составляет 250 кПа. Это значение и применялось в расчетах и осадка по результатам мониторинга составляет 5,3 см. Далее приведена сводная таблица (табл. 3) значений осадок и глубины сжимаемой толщи при расчетах различными методами.

Таблица 3

Предложенный модифицированный метод послойного суммирования позволит точнее определить осадки фундамента, решить проблему несоответствия вычисленных и наблюдаемых осадок и приведет к более рациональному проектированию.

Литература

1.Агишев И.А. Зависимость между пористостью и модулем деформации, установленная полевыми испытаниями глинистых грунтов//Научно-техн. бюллетень "Основа-

ния и фундаменты". – 1957.- № 20.- С. 3-6.

2.Горбунов-Посадов М.И., Маликова Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании. -М.: Стройиздат, 1984. – 679 с.

3.Лушников В.В.Оценка достоверности определения осадок фундаментов* // Геотехника: актуальные теоретические проблемы: межвуз* тематический сб. тр.

4.Осипова О.Н., Дыба В.П., Галашев Ю.В. Влияние структурной прочности грунтов на величину глубинысжимаемой толщи и осадку основания//Изв. вузов. СевероКавказский регион. Техн. науки. – 2010. – № 5. – С.83-85.

5.СП 50-13330-2011. «Основания зданий и сооружений».- М.: Минрегион России,

2010.

355

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

УДК 624.131

М. Метс, Е. Мусатова, Р. Раудсепп, В. Паллав (Таллин, Эстония)

ФОРМИРОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУНТОВ

Инженерно-геологические изыскания дают в основном оценку физикомеханическим свойствам грунтов, не учитывая , к сожалению, геологических основ формирования этих свойств и влияния геологических факторов на механическую картину формирования несущей способности грунтов.

f ( ) (сдвиговые деформации-сдвиговое напряжение) были выделены сле-

дующие характерные точки: q1– структурная прочность,

q3 – предел пропорциональности, q4 – предельное давление,

1 – структурная прочность при сдвиге,3 – предел пропорциональности при сдвиге,4 – предельная прочность грунта

При характерных точках 1, 3, 4 зависимость f ( ) подчиняется закону Кулона и для этих точек возможно определить величины угла внутреннего трения и сцепления с. Соотношение величин и с при характерных точках указывает на характер формирования несущей способности грунта и на возможность использования этой несущей способности. Было доказано, что, используя в расчетных схемах предельного равновесия величины 1, 3, 4 можно определить величины характерных давлений q1, q3, q4 и практически получить все картину деформирования основания.

356

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Рис. 2. Зависимость f ( )

Рис. 1 Зависимость τ = f (σ)

В дальнейшем проанализируем формирование несущей способности грунтов в различных геологических условиях.

ПЕСКИ При формировании несущей способности «классического» материала –

песка – геологические факторы практически не учитываются. Обычно указывается на большое влияние гранулометрического состава и плотности на формирование несущей способности материала. В последние 30 лет стали учитывать и влияние структурной прочности, но обычно без раскрытия механических и физико-химических основ этого влияния.

Исследование уплотняемости и влияния плотности на прочность песков выявило некоторые интересные аспекты формирования несущей способности песков. Оказалось, что оптимальная влажность wopt зависит от гранулометрического состава песков и содержания органического вещества. Для средне- и крупнозернистых песков эта влажность 8...12 %, для мелкозерни-

357

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

стых песков 14...18 %, для пылеватых песков 18...20 %. При этом для крупно- и среднезернистых песков с ростом влажности γd max сильно падает, и в водонасыщенном состоянии они способны приобрести только среднеплотное состояние (морские и водноледниковые отложения). Для мелкозернистых

ипылеватых песков с ростом влажности γd max изменяется относительно мало

ипри водонасыщенном состоянии они при соответствующих воздействиях приобретают плотное состояние. На величину wopt сильно влияет содержание

ивид органических веществ. Коллоидное органическое вещество сильно

уменьшает величину wopt и разница между γd при wopt и γd при Sr = 1 большая, поэтому пески содержащие коллоидное органическое вещество, приобретают

в водной среде рыхлое состояние. Если органическое вещество в песке содержится в виде торфа или органических прослоек, то практически оно меньше влияет на wopt и пылеватые пески могут приобрести среднеплотное состояние. Эоловые пески образуются воздушно в сухом состоянии, при ко-

тором γd меньше, чем γd max при wopt, но больше чем γd при Sr = 1. Часто ID эоловых песков мало отличается от ID морских и водноледниковых песков (гра-

нулометрические составы тоже одинаковые). Исследование несущей способности этих песков показало, что величины q3 для них очень различные: для эоловых q3=0,4 МПа, для морских q3=0,8 МПа и для водноледниковых q3 = 1,8 МПа. В свое время это явление объяснялось влиянием структурной прочности – цементом между частицами, что верно для водноледниковых песков. Данные пески характеризуются присутствием железистого цемента, образовавшегося в ходе диагенеза под влиянием протекавших болотных вод. Этот цемент сильно увеличивает значение с при 3 и вызывает рост величины q3. При разрушении структур (перемыва) 3 сильно падает и величина q3 перемытых песков равна q3 морских песков, если они имеют одинаковую вели-

чину ID.

Разницу в значениях q3 морских и эоловых песков надо искать не в мистических структурных связях, а в природной реализации внутреннего трения при 3. Природная реализация внутреннего трения морских песков, благодаря волновым воздействиям, намного выше, чем у эоловых песков, что вызывает рост 3 и, соответственно, рост q3.

Реализация внутреннего трения при 3 зависит от плотности: при одинаково изготовленных образцах растет вместе с ID. Но если в природных условиях на формирование одинаковой плотности затрачено больше работы, то эта работа выражается в большей природной реализации внутреннего трения и большей величине q3. На значение q4 природная реализация внутреннего трения при 3 влияет мало.

Исследования сжимаемости песков показали, что в компрессионных условиях пески практически несжимаемы. Рыхлый песок не переходит в среднеплотный под влиянием нормального давления. В компрессионном приборе даже при малых давлениях происходит некоторая реализация внутреннего трения рыхлого песка, которая не позволяет песку уплотнятся и пе-

358

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

реходить из рыхлого состояния в среднеплотное. Этот переход возможен при изменении коэффициента трения песка. Такие изменения происходят при замачивании песка, что вызывает просадочные явления в рыхлых песках. Просадочные явления в песках связаны с тем, что реализация внутреннего трения не способна при замачивании удерживать систему на месте. Эта система уплотняется, увеличивается число контактов до появления нужного уровня реализации внутреннего трения при заниженной величине коэффициента трения.

Реализация внутреннего трения при ID сильно зависит от содержания примесей – органического вещества и глинистой фракции в песках. Коллоидное органическое вещество не позволяет пескам в водной среде уплотнятся и величины q3 подобных песков 0,05...0,15 МПа и зависят от сцепления при3. В воздушно-сухом состоянии коллоидное вещество превращается иногда в коллоидный цемент, вызывая рост q3 и 3, большие осадки штампа при давлениях выше q3. Органическое вещество в виде линз и прослоек меньше влияет на значение q3, так как не уменьшает реализацию внутреннего трения между частицами песка и массива в целом. Это сопровождается большой сжимаемостью песка и падением величины q3 до 0,3...0,4 МПа.

МОРЕНА Морена по своему составу и характеру формирования является в гео-

техническом отношении очень сложным грунтом. Физико-механические свойства морены очень хорошо отражают те геологические процессы, которые сопровождали ее образование, процессы диагенеза и современные условия залегания этого материала. Несущая способность морены более сложное явление, чем несущая способность песков, так как на ее формирование сильно влияет содержание глинистой фракции. В одних условиях глинистая фракция может вызывать рост несущей способности, а в других, наоборот, ее падение.

По характеру поведения под давлением моренные отложения можно разделить на две большие группы: крупнообломочные (каменистые) и супес- чано-суглинистые морены. Крупнообломочные морены содержат фракции выше 2 мм более 50% и несущая способность таких морен зависит от природной реализации трения между обломочным материалом, которая, в свою очередь, зависит от состава и условий формирования морены. Обычно у локальной каменистой она меньше, чем у основной моренны. На несущую способность каменистых морен влияет состояние заполнителя между частицами крупнообломочной фракции. Это влияние может быть положительным, если заполнитель имеет твердую консистенцию, соединяет крупнообломочную фракцию как глинистый цемент и превращает морену практически в полускальный грунт. При текучепластичной и текучей консистенции заполнитель влияет на несущую способность крупнообломочной морены, но в меньшей степени, чем можно было бы предположить. Заполнитель при этом несколько

359

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

уменьшает (как смазка) реализацию внутреннего трения, но при больших нормальных давлениях эта смазка или уплотняется или, что чаще происходит, выдавливается. Таким образом несущая способность морен формируется в зависимости от природной реализации внутреннего трения между крупными фракциями. С ростом деформации реализация внутреннего трения улучшается, подобные каменистые морены являются классическим грунтом – переход в нелинейную зону в них не представляет никакой опасности для сооружения.

Положение с супесчано-суглинистыми моренами сложнее. Крупнообломочная фракция практически не влияет здесь на формирование несущей способности морены и все зависит от состава и состояния песчано-глинистой фракции. Состояние песчано-глинистой фракции зависит от условий формирования морены и от современных условий ее залегания. В зависимости от условий залегания состояние песчано-глинистой фракции может изменятся не только в пространстве, но и на данном месте в зависимости от климатических факторов (сезонные изменения свойств морены). Состояние и свойства песчаноглинистого заполнителя в основном зависит от его влажности и плотности γd.

Последние исследования показали, что супесчано-суглинистые морены ведут себя как классические глинистые грунты. Для морен которые имеют различные величины q3 (отличие 3...5 кратное) имеют относительно близкие

величины 4 (за счет реализации внутреннего трения). Определенные по этим характеристикам величины R и N мало отличаются для различных морен. Поэтому для оценки прочности морен в Эстонии чаще используются значения недренированной прочности, одноосное сжатие или шведский конус. Эти результаты хорошо коррелируются штамповыми испытаниями и со статической пенетрацией.

СЛАБЫЕ ГЛИНИСТЫЕ ГРУНТЫ По разнообразию состава и условий формирования слабые глинистые

грунты представляют собой самую пеструю группу рассматриваемых здесь отложений. На свойства слабых глинистых грунтов сильно влияют состав, условия формирования, характер и условия диагенеза (условия фильтрации). Последние годы часто происходят изменения в условиях диагенеза, что вызывает изменения свойств слабых глинистых грунтов, которые современная геотехника не всегда способна уловить и учесть своими техническими средствами. По характеру поведения и по возможности оценки геотехнических свойств слабые глинистые грунты можно разделить на две группы: супесчаные разности и глинисто-суглинистые разности. Внутри этих групп, в зависимости от условий и времени формирования данного материала, можно выделить несколько отличающихся между собой подгрупп.

Несущая способность супесей зависит от времени и условий формирования этих супесей, можно выделить морские и озерно-ледниковые супеси.

360