5.3. Вплив різних факторів на величину і характер деформацій
1. Умови завантаження:
• безперервно зростаюча навантаження
Найчастіше, практично в будівництві розглядаються лінійні деформації, т. е.
до напружень, рівних R.
У цьому випадку правомірно використовувати теорію пружності та інженерні методи рас-
чета осад;
• періодично діюча навантаження
При багаторазовому нагружении підстави загальні деформації грунту прагнуть до неко-
торому межі.
При великому числі циклів навантаження з'являються лише пружні деформації, т. е.
грунт набуває пружно-ущільнене стан. (Має практичне значення для
будівельників доріг, насипів і т. д.)
2. Деформації грунту в часі
При ущільненні підстав швидкість опади фундаменту (споруди) залежить від ско-
рости віджимання води з пор грунту (фільтраційна консолідація). Згодом Возника-
ють опади реологічного характеру (повзучість скелета грунту).
Характер деформації залежить від індивідуальних властивостей грунтів.
3. Залежність деформації грунтів від розмірів фундаментів (за інших рівних
умовах) (рис. 5.5).
При в <0,5 м деформації дуже великі (можливий випор грунту або досягнення
I граничного стану).
При в ≈ 0,5 м - мала стислива товща (опади малі).
При в> 0,5 м - збільшення активної стисливою зони - збільшення деформації в це-
лом.
При в> 7 м (А> 50 м2) опади менше теоретичних, т. к. активна стислива зона
йде в більш щільні нижні шари грунту (зростання модуля деформації з глибиною).
Підстави і фундаменти розраховуються по двох граничних станах:
За несучої здатності:
N - задана розрахункове навантаження на основу у най- більш невигідною комбінації; Рпр - несуча здатність (граничне навантаження) підстави для даного напряму навантаження N; γс - Коефіцієнт умови роботи підстави (<1); γq - коефіцієнт надійності (> 1). 2. За граничним деформацій: Sрас - розрахунковаабсолютна осаду фундаменту;
ΔSpas - розрахункова відносна різниця осадок
фундаментів;
S u.s.? Δ S u.s. - граничні величини, абсолютної та
відносної різниці осідання фундаментів відповідно (СНиП 2.02.01-83 *).
5.4. Розрахунок підстав по деформацій і методи розрахунку осад.
Загасання осад у часі
Деформації підстави поділяють таким чином:
• опади - деформації, що відбуваються в результаті ущільнення грунту під воздейст-
Вієм зовнішніх навантажень і в окремих випадках власної ваги грунту, не супроводжую-
щиеся корінною зміною його структури;
• осідання - деформації, що відбуваються в результаті ущільнення і, як правило, ко-
програвання зміни структури грунту під впливом як зовнішніх навантажень і власне-
го ваги грунту, так і додаткових факторів, таких, наприклад, як замочування осідаючих-
ного грунту, відтавання льодових прошарків у замерзлому грунті і т. п.;
• підйоми і опади - деформації, пов'язані зі зміною обсягу деяких грун-
тов при зміні їх вологості або дії хімічних речовин (набухання і усадка)
і при замерзанні води і відтаванні льоду в порах грунту (морозний пучение і відтавання
грунту);
• осідання - деформації земної поверхні, що викликаються розробкою корисних
копалин, зміною гідрогеологічних умов, зниженням рівня підземних вод,
карстово-суфозійними процесами і т. п.;
• горизонтальні переміщення - деформації, пов'язані з дією горизонталь-
них навантажень на підставу (фундаменти розпірних систем, підпірні стіни і т. д.) або з
значними вертикальними переміщеннями поверхні при осіданні, просадках
грунтів від власної ваги і т. п.;
• провали - деформації земної поверхні з порушенням суцільності грунтів, про-
разующіеся внаслідок обвалення товщі грунтів над карстовими порожнинами, гірськими ви-
ництва або зонами суфозійного виносу грунту.
Розрахунок підстав по деформацій виробляють, виходячи з умови
де - спільна деформація основи і споруди;
Su - граничне значення сумісної деформації основи і споруди, встановлюється
ваемое відповідно до вказівок СНиП 2.02.01-83 * «Підстави будівель і споруд»
або СП50-101-2004 «Проектування і пристрій підстав і фундаментів будівель і со-
оружений ».
Метод пошарового підсумовування
У більшості практичних випадків підставу складено за глибиною різнорідними
грунтами, представленими в матеріалах інженерно-геологічних вишукувань інженерно-
геологічними елементами (ІГЕ). Метод пошарового підсумовування дозволяє враховувати
різнорідність грунтового масиву по глибині. В основі методу лежить підсумовування осад
елементарних шарів від дії додаткових напруг. При цьому розподіл до-
додаткових напружень в грунтовому масиві приймається відповідно до моделі ли-
Нейн деформується півпростору. Додатковими напругами називають на-
напруги в грунтовому масиві від дії зовнішнього навантаження.
Розрахунок опади підстав за методом пошарового підсумовування проводиться в
Відповідно до рекомендацій СП50-101-2004 «Проектування і пристрій підстав і
фундаментів будівель і споруд ».
Розрахункова схема визначення осідань основи за методом пошарового підсумовування
представлена на рис. 5.6.
Порядок розрахунку
1. Будуємо розрахункову схему.
2. Розбиваємо грунтовий масив нижче підошви фундаменту шириною b на елементом
тарні шари, виходячи з таких умов:
• потужність будь-якого елементарного шару hbi Δ ≤ 0,4;
• шари повинні бути однорідними за своїми властивостями.
Будуємо епюру природних тисків:
де – γi-питома вага грунту i-го шару.
hI-товщина (потужність) i-го шару грунту
де γ - питома вага грунту вище підошви фундаменту;
d - глибина закладання фундаменту.
Природні тиску визначаються на кордонах елементарних шарів.
Рівень підошви фундаменту
4. Будуємо епюру додаткових вертикальних напружень від фундаменту і
обчислюємо епюру додаткових вертикальних напружень власної ваги вибраного
при уривку котловану грунту.
Значення напруги визначаються на кордонах елементарних шарів. початок епюри
тисків від рівня підошви:
α = f (η = l / b, ξ = 2z / b) - коефіцієнт, що враховує спадання з глибиною
додаткових тисків (п. 4.3 табл. 4.2).
5. Визначаємо нижню межу стисливою товщі, яка перебуває на такій
глибині від підошви фундаменту, на якій виконується умова zp zg σ ≤ 0,2 σ.
Якщо знайдена за вказаною вище умові нижня межа стисливою товщі нахо-
диться в шарі грунту з модулем деформації Е <5 МПа (50 кгс/см2) або такий шар залягає
безпосередньо нижче глибини z = Hc, нижня межа стисливою товщі визначається,
виходячи з умови zp zg σ ≤ 0,1 σ.
6. Визначаємо осадку підстави в межах стисливою товщі:
де β = 0,8 - коефіцієнт, що враховує бічне розширення грунту;
n - кількість елементарних шарів, які увійшли до стисливу товщу;
i Δh - потужність відповідного елементарного шару, м;
Ei - модуль деформації відповідного елементарного шару, кПа;
σ - додаткове вертикальне тиск від споруди в середині елементарного
шару, кПа.
7. Перевіряємо умову S <SU.
Допущення при розрахунку за цим методом
1. Лінійна залежність між напругою і деформаціями.
2. Опади розглядаються, виходячи з max Pz - під центром фундаменту.
3. Не враховується, як правило, шаруватість нашарувань при побудові Pz.
4. Це завдання просторова (6 компонентів напруг), ми враховуємо тільки Pz
(5 комп. Не враховуємо).
5. Не враховуємо бічне розширення грунту.
6. На деякій глибині обмежуємо активну зону, нижче якої вважаємо, що
грунт практично не деформується.
При більшій площі завантаження глибина розподілу тисків і обсяг грунту,
піддається деформації, будуть більше. Отже, і опади будуть більше.
Під еквівалентним шаром мається на увазі деякий обмежений по товщині шар
грунту, який при суцільній, рівномірно розподіленому навантаженні, яка додається до гра-
ниці підстави, дає значення опади, рівне осаді фундаменту, що має обмежені
розміри в плані при тому ж навантаженні і аналогічних грунтових умовах. Іншими словами,
в цьому методі просторова задача розрахунку осад може замінюватися одномірної.
У разі однорідного підстави грунт моделюється суцільним лінійно деформації
руемих тілом. Вважається, що осідання основи визначається всіма компонентами
напруг і залежить від жорсткості фундаменту. Враховується також бічне рас-
ширення грунту основи.
У методі еквівалентного шару кінцеву осадку фундаменту визначають в результаті
рішення задачі теорії пружності про деформуванні пружного півпростору під дію-
Вієм рівномірно розподіленого навантаження за формулою
де mv - коефіцієнт відносної стисливості грунту;
p0 - додатковий тиск по підошві фундаменту;
he - потужність еквівалентної шару грунту:
b - ширина підошви фундаменту; ω - коефіцієнт, що залежить від форми підошви і
жорсткості фундаменту; А - коефіцієнт, що залежить від коефіцієнта бокового розширення
грунту ν:
Твір A · ω називають коефіцієнтом еквівалентного шару, який знаходять
за табличними даними.
Метод еквівалентного шару дозволяє визначати осадку шаруватого підстави з ви-
користуванням наближеного рішення.
Так, у розрахунковій схемі стисливу товщину підстави, що впливає на осідання фунда-
мента, приймають рівною Hc = 2he, а розподіл додаткових вертикальних напря-
жений - по трикутної епюрі (рис. 5.8, а). Вершину трикутної епюри напруг призначають-
ють на глибині Нс, а підстава епюри р0 - під підошвою фундаменту. Грунти, що знаходяться в межах глибини стисливості товщі, вважаються однорідними з усередненими характе-
ристик.
Осідання шаруватого підстави також обчислюють за формулою (5.5), з тією лише різницею,
що в ній використовують середній коефіцієнт відносної стисливості, який визначається з
умови, що в межах стисливою товщі повне осідання дорівнює сумі осад, що входять в
неї шарів. Середній коефіцієнт відносної стисливості знаходять з виразу
де hi - висота i-го шару грунту в межах стисливою товщі;
mvi - коефіцієнт відносної стисливості i-го шару;
zi - відстань від нижньої точки трикутної епюри до середини i-го шару (рис. 5.8).
Метод еквівалентного шару дозволяє розраховувати осадку з урахуванням впливу інших,
поруч розташованих фундаментів за допомогою методу кутових точок, про який вже гово-
рілось вище.
Загасання опади у часі
Загасання опади грунтів у часі (їх консолідація) є складним процесом,
на який впливають водопроникність, структура, поровий тиск, повзу-
честь скелета грунту, стисливість самих мінеральних частинок, води і затисненого возду-
ха, умови навантаження, а також геологічна будова майданчика.
Узагальнене вирішення завдання загасання опади у замкнутому вигляді через складність про-
вихідних процесів в даний час відсутня. В розрахункові моделі, схеми і методи
вводяться різні припущення, передумови і спрощення, прийнятні тільки для окремих
них грунтів та умов їх навантаження.
Найбільш простий, доведеної до робочого стану, є фільтраційна теорія
консолідації (ущільнення) грунтів. У цій теорії грунти розглядаються в стані
«Грунтовий маси», тобто з повним насиченням пір вільної гравітаційної водою і при
відсутності сил зчеплення. Швидкість загасання опади залежить від швидкості видавлювання
(Фільтрації) води з пор ущільнюваного грунту. Рішення отримано для одновимірної задачі з
прямокутної і трикутної епюра ущільнюючих тисків у припущенні, що струм
фільтраційної води спрямований вертикально, і в початковий момент все зовнішній тиск
сприймає вода. У міру віджимання води з пор в роботу включаються мінеральні части-
ци. Осадка закінчиться тоді, коли все навантаження сприймуть мінерали.
К. Терцагі запропонував для повністю водонасиченого глинистого грунту таку мо-
дель: циліндр, заповнений водою, всередині якого є сталева пружина. Циліндр
закритий поршнем, які мають дуже малі отвори. Якщо на цей поршень поставити вантаж,
то опускання поршня можливо тільки за рахунок видавлювання з циліндра зайвої води.
Поршень почне натискати на пружину і зупиниться лише тоді, коли всі зусилля вантажу
повністю передадуться на пружину. При цьому зайва вода з циліндра видавити назовні.
Діаметр отворів моделює фільтраційну здатність грунту: чим дрібніше отвори,
тим повільніше видавлюється вода, і повільніше йде процес опади (рис. 5.9).
Використовуючи метод еквівалентного шару, в якому
всі завдання приводяться до одномірним, фільтраційну
теорію консолідації грунтів можна застосувати і для
інших видів навантаження.
Передумови і допущення, прийняті в теорії
фільтраційної консолідації, значно ско-
відмови від тютюну область її застосування. Н. А. Цитовіч укази-
вал, що «теорія фільтраційної консолідації грун-
тов (без додаткових умов) буде застосовна
для неущільнених, повністю водонасичених
(Слабких) глинистих грунтів ».
Цілком ймовірно, ця теорія більшою сте-
пені відповідає умовам одномірної задачі, коли
відбувається ущільнення грунтів на великій площі
(Наприклад, для прогнозу загасання осад деяких
гідротехнічних споруд і окремих ядерних
установок). Використання теорії фільтраційної
консолідації для промислових і цивільних зда-
і споруд дає невизначені результати.
Рис. 5.9. Схема, що пояснює поведінку
водонасиченого глинистого грунту
при стисненні: 1 - пружина, що замінює
скелет грунту; 2 - рідина, що замінює
поровое воду, 3 - поршень з тонкими
отворами для передачі тиску
на грунтову масу