5. Определение конечных деформаций оснований и смещений сооружений. Расчет осадок сооружений во времени.

Приложенные к грунтовому основанию внешние нагрузки, в том числе и от сооружений, изменяют его напряженное состояние (см. гл. 3), а развивающиеся в грунте дополнительные к бытовым напряжения вызывают появление деформаций грунтового массива. В итоге поверхность основания и соответственно опирающееся на нее сооружение получают смещения как вертикальные, так и горизонтальные. Естественно, смещения различной величины получают и любые малые элементы («точки») внутри основания. Вертикальные смещения вниз обычно называют осадками, вверх – подъемами («отрицательными» осадками).

Весьма часто основания получают неравномерные (неодинаковые) смещения, в результате чего могут возникнуть крены (наклоны), прогибы и выгибы, горизонтальные перемещения сооружений и их элементов. В итоге в сооружениях развиваются дополнительные усилия (напряжения), которые могут привести к образованию трещин и даже разрушению сооружения. Поэтому при проектировании фундаментов в качестве одного из основных принимается условие, в соответствии с которым смещения (деформации), получаемые сооружением, не должны превышать некоторых предельных значений, устанавливаемых нормами на проектирование, т.е.

s ≤ s_u, (5.1)

где s – расчетная деформация (осадка, крен, разность осадок и др.), s_u — предельная деформация (предельная осадка, крен и т.д.), превышение которой нарушает нормальную эксплуатацию сооружения или переводит его в аварийное состояние.

Определение размеров фундаментов по условию (5.1) отвечает принципу проектирования по деформациям (по второму предельному состоянию), составляющему основу действующих норм проектирования. Подробно эти вопросы рассматриваются в курсе оснований и фундаментов. Реализация условия (5.1) предполагает определение расчетных деформаций s методами механики грунтов, излагаемыми ниже.

1. Основные виды смещений. Составляющие осадки основания при поэтапном возведении сооружения.

Все смещения сооружений происходят во времени, что, в первую очередь, связано с временным развитием деформаций грунтов основания, обусловленным либо свойством ползучести скелета грунта, либо длительностью фильтрационных процессов отжатия воды из пор водонасыщенного грунта при его уплотнении. Ползучесть – способность накапливать деформации во времени при постоянной нагрузке – наиболее ярко проявляют глинистые грунты, для них же характерна и медленно протекающая фильтрация воды из пор грунта при его уплотнении (см. главы 2, 7).

Если статическая нагрузка на основание от сооружения нарастает весьма быстро по сравнению с развитием деформаций основания и смещений сооружения во времени, то ее принято в расчетах считать приложенной «мгновенно». После ее приложения сразу же возникают некоторые, обычно небольшие, смещения, которые также условно называют «мгновенными». Следует подчеркнуть, что введение условных понятий «мгновенная нагрузка» и «мгновенное смещение» определяется в основном соотношением времени роста нагрузки и времени развития деформаций грунтового массива и смещений опирающегося на него сооружения. Так, например, в случае протекания процесса уплотнения (консолидации) водонасыщенного глинистого основания в течение 1 . . . 2 десятков лет возведение сооружения в течение 3 . . . 6 месяцев можно принять условно «мгновенным». Принятие таких «условностей» иногда весьма заметно упрощает решение задач. В то же время при необходимости разработанные методы расчетов позволяют весьма точно учесть постепенность возведения сооружения.

Весь процесс накопления смещений основания и сооружения можно представить состоящим из «мгновенной» части и нарастающей с затуханием во времени дополнительной (часто весьма значительной) составляющей. При завершении процесса нарастания дополнительной составляющей получаем суммарное («мгновенная» + дополнительная составляющая) смещение, называемое обычно конечным смещением.

При определении смещений (осадок) сооружений принято выделять отдельные этапы производства работ по возведению сооружения (рис. 5.1, этапы а...г), соответствующие им этапы расчета и определять составляющие конечной осадки для каждого этапа. Для наглядности характер деформирования основания на каждом этапе удобно иллюстрировать поведением элемента грунта при компрессионном его испытании. Очевидно, что элемент грунта в т. А находится в условиях, близких к условиям одноосной, т.е. компрессионной деформации (ε_x = ε_y = 0, ε_z ≠ 0), особенно на этапах «а ... в».

Рис. 5.1. Этапы возведения сооружения и соответствующие им

составляющие (r, s, d) его общей конечной осадки.

Первый этап строительства состоит в отрытии котлована на глубину h, что вызывает для элемента А уменьшение вертикальных напряжений от бытовых σ_б до σ^/ (рис. 5.2, а) и разбухание грунта с изменением коэффициента пористости от е₁ до е₂. Вследствие деформаций грунта основания происходит подъем (иногда называемый «отрицательной» осадкой) дна котлована на величину r. Для неглубоких котлованов (h << b — ширина котлована) их отрытие в расчете представляют приложением нагрузки (-γ_гр ∙ h) к дну котлована (рис. 5.1, а).

Рис. 5.2. Участки компрессионной зависимости для грунта в «точке» А основания, соответствующие этапам возведения сооружения на рис. 5.1.

Второй этап предполагает возведение части сооружения, создающей на основание нагрузку γ_гр ∙ h, в точности равную весу вынутого грунта (рис. 5.1, б). Деформация элемента грунта в т. А в этом случае характеризуется участком «b – а» ветви вторичного уплотнения, принимая, что в т. а эта ветвь совпадает с ветвью разгрузки (рис.5.2, б). Считается, что на втором этапе поверхность дна котлована получит осадку, равную + r и дно возвращается в проектное положение на глубину h от поверхности.

На третьем этапе заканчивается возведение рассматриваемого сооружения и нагрузка на основание возрастает на величину q^/ = q — γ_гр ∙ h, где q – нагрузка, передающаяся на основание полностью возведенным сооружением. Деформация элемента грунта в т. А характеризуется участком «а – с» на основной ветви компрессионной кривой с изменением коэффициента пористости с е₁ до е₂^/ при увеличении вертикального напряжения с σ_б до σ^// (рис. 5.2, в). B результате деформирования основания дно котлована и сооружение получают осадку s (рис. 5.1, в).

Последующее возведение нового сооружения рядом с уже построенным (4-ый этап) может вызвать дополнительную осадку последнего на величину «d» (рис. 5.1, г). Деформирование элемента грунта в т. А характеризуется участком «с – d» с возрастанием напряжения от σ^// до σ^/// и изменением коэффициента пористости с е₂^/ до е₂^//.

Полная осадка сооружения s_п в общем случае суммируется из осадки (+ r) от нагрузки γ_гр ∙ h (осадка погашения разбухания), осадки s от нагрузки q^/ = q — γ_гр ∙ h и дополнительной осадки «d» от нагрузки q_d соседнего сооружения, возводимого после ввода в эксплуатацию рассчитываемого сооружения. Таким образом, имеем

s_п = + r + s + d. (5.2).