CC BY
1Коробова О.А.
ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сиб-стрин)», профессор кафедры инженерной геологии, оснований и фундаментов НГАСУ (Сибстрин) доктор технических наук Максименко Л.А.
ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет геосистем и технологий», доцент кафедры геоматики и инфраструктуры недвижимости СГУГиТ, кандидат технических наук
Бочарова М.А.
ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)», магистрант кафедры геологии, оснований и фундаментов НГАСУ (Сибстрин)
ДЕФОРМАЦИОННАЯ АНИЗОТРОПИЯ ГРУНТОВ И МЕТОДЫ ЕЁ УЧЕТА В РАСЧЕТАХ
ГРУНТОВЫХ ОСНОВАНИЙ
SOIL DEFORMATION ANISOTROPY AND IT'S ACCOUNTING METHODS IN CALCULATIONS OF
THE SOIL
Korobova O.A.
, FSBEI HO «Novosibirsk state university of architecture and civil engineering (Sibstrin)», Professor of the Department of Engineering Geology NSUACE (Sibstrin), bases and foundations, Doctor of Technical Sciences
Maksimenko L.A.,
FSBEI HO «Siberian Federal University of Geosystem and Technologies », assistant professor of geomat-
ics and real estate infrastructure SSUGT, Candidate of Technical Sciences
Bocharova M.A.,
FSBEI HO «Novosibirsk state university of architecture and civil engineering (Sibstrin)», Master Degree
of the Department of Geology, bases and foundations NSUACE (Sibstrin)
АННОТАЦИЯ
В статье приводятся результаты экспериментальных и теоретических исследований деформационной анизотропии различных видов грунтов, а также представлен простой и эффективный метод её учета при расчете деформаций анизотропных грунтовых оснований любыми из существующими в настоящее время методами.
ABSTRACT
The article brings up results of experimental and theoretical researches of deformation anisotropy of different soils, as well as a simple and effective method of accounting it for any existing calculation of anisotropy soil settlements
Ключевые слова: деформационная анизотропия, анизотропия грунтов, расчет грунтовых оснований, учёт анизотропии.
Keywords: deformational anisotropy, soil anisotropy, soil calculations, accounting of anisotropy
Главной задачей современного фундаменто-строения является надежное прогнозирование напряжённо-деформированного состояния (н.д.с.) грунтовых оснований, что позволит получить наиболее экономичные варианты фундаментов при обеспечении достаточной безопасности в процессе их эксплуатации. Расчетные модели можно считать надежными и экономичными только в том случае, если они достаточно полно отражают реальные свойства грунтов и явления, происходящие в грунтовых основаниях при действии внешних нагрузок. Одним из важнейших вопросов исследования н.д.с. является вопрос об учете деформационной анизотропии грунтов в расчетах оснований, т.к. многочисленные исследования как у нас в стране, так и за рубежом свидетельствуют о том, что все природные нескальные грунты обладают свойством деформационной анизотропии, а нормативные документы по расчету грунтовых оснований рекомендуют учитывать анизотропность грунтов в расчётах грунтовых оснований (Свод правил СП
22.1333.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83* [5]), что часто связано с трудностями, заключающимися в отсутствии простых и эффективных методов учета деформационной анизотропии, а также способов определения расчетных параметров анизотропного грунта. Успешное решение этой задачи невозможно без применения численных и математических методов в формировании расчетной модели, одной из составных частей которой является исследование напряжённо-деформированного состояния анизотропных грунтовых оснований. Авторами была разработана методика исследования деформационной анизотропии грунтов в лабораторных условиях.
Для исследования деформационной анизотропии нескальных грунтов необходимо отобрать пробы по взаимно перпендикулярным направлениям (при вертикальном и боковом положении колец) (рисунок 1 ).
б - боковое Рисунок 1 - Схема отбора образцов грунта
Затем испытать их в компрессионных условиях (без возможности бокового расширения грунта) по стандартной методике [1] проведения испытаний. Полученные экспериментальным путём значения деформаций образцов грунта в вертикальном и горизонтальном направлениях можно использовать для оценки деформационной анизотропии грунтов. В этом случае представляется возможным оценить степень деформационной анизотропии грунтов показателем анизотропии а = = где sz и «х , £z и £х - абсолютные и относительные деформации в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно. Авторами
были испытаны несколько видов грунтов, полученные результаты подтверждают наличие деформационной анизотропии. Показатели деформационной анизотропии а исследованных видов грунта различны. Они приведены в таблице 1, причем показатели а изменяются от 0,5 до 2,1, т.е. оказались практически ощутимыми. Проведенными исследованиями песков и глинистых грунтов расширена область грунтов с установленной деформационной анизотропией. Глинистые грунты г. Новосибирска, исследованные ранее В.П. Писаненко [4] характеризовались значениями а = 1,43 (суглинки) и а = 1,24 (супеси).
Таблица 1
Показатели деформационной анизотропии исследованных грунтов (1-12), вычисленные по
№ грунта Значения а = «х / Sz при напряжениях ст2 = Ст1 , МПа
0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 аср (0,05-0,30)
1 1,04 1,07 1,06 1,05 1,02 0,98 1,04
2 0,50 0,65 0,70 0,71 0,81 0,83 0,7
3 0,57 0,69 0,74 0,69 — — 0,67
4 1,65 1,43 1,47 1,60 1,54 1,43 1,53
5 2,15 2,27 2,35 2,34 1,92 1,82 2,1
6 1,60 1,37 1,32 1,39 1,48 1,48 1,4
7 0,58 0,65 0,71 0,78 0,86 0,88 0,74
8 0,75 0,90 1,05 1,13 1,47 1,47 1,13
0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 (0,10-0,60)
9 1,30 1,36 1,43 1,50 1,42 1,41 1,36
10 1,15 1,34 1,44 1,39 1,44 1,34 1,32
11 0,49 0,57 0,66 0,62 0,67 0,69 0,58
12 0,70 0,50 0,52 0,50 0,48 0,48 0,52
Деформации образцов грунтов 1-8 (таблица 1) в вертикальном и горизонтальном направлениях были определены в условиях компрессии - в уплотнителях системы "Гидропроект". Характер деформационной анизотропии исследованных видов грунтов различен - для пластичных супесей 1 - 3 показатель а <1; для лессовидных супесей и суглинков 4 - 6 как правило а > 1; для песков 7, 8 средней плотности и плотных, испытанных в условиях компрессии а < 1. Грунты 9 и 11 были испытаны в приборе трехосного сжатия (ПТС системы А.Л.
Крыжановского) с независимым регулированием переменных величин главных напряжений. (в условиях плоской деформации). При равенстве главных напряжений Ст1 = стэ (^ = Стх), действующих в плоскости деформирования образцов. До начала опыта грунт 9 уплотнялся вибрированием, а грунт 11 -ручным трамбованием. Грунты 10 и 12 (таблица 1) были исследованы в условиях гидростатического напряженного состояния образцов, т. е. при действии главных напряжений Ст1 = ст2 = стэ. В этом случае оценка степени деформационной анизотропии
грунтов проводилась по сопоставлению величин деформации по двум взаимно перпендикулярным горизонтальным направлениям.
При увеличении сжимающей нагрузки значения а увеличиваются. При повышении уровня действующих напряжений в условиях плоской деформации и гидростатического обжатия плотного песка средней плотности, характер анизотропии не изменяется. В условиях плоской деформации показатель а меньше, чем в условиях гидростатического обжатия. Показатели а песка средней плотности в этих условиях превышают единицу, а плотного песка - меньше единицы.
Степень деформационной анизотропии можно оценить не только соотношением деформаций грунтовых образцов по ортогональным направлениям, но и по отношению а = Еz/Ex с учетом различных значений коэффициентов Пуассона (коэффициентов бокового расширения грунта); Еz и Ex -модули деформации в вертикальном и горизонтальном направлениях.
После проведения экспериментальных исследований и выявления значения показателя деформационной анизотропии а, необходимо воспользоваться любыми из существующих в настоящее время программных комплексов, позволяющими получить полную картину напряжённо-деформированного состояния анизотропных грунтовых оснований. Для определения пяти параметров трансвер-сально-изотропной среды Ez, Vzx, Vyx Gxz,) необходимо иметь пять уравнений, связывающих, измеренные при компрессионных испытаниях, напряжения Cтz, Cтx и деформации £z (при пяти уровнях действующей нагрузки). В связи со сложностью определения напряжений Cтx в компрессионном приборе, предпочтительны опыты в стабило-метре. Этот путь довольно трудоемок и представляет собой отдельную задачу, поэтому для решения вопроса о н.д.с. анизотропного основания ограничимся упрощенными способами оценки анизотропии - по соотношению относительных деформаций £x и £z или, что то же самое, отношение модулей деформации Еz/E x, вычисленных по измеренным £z и £x зависимостям изотропной среды.
При сравнении полученных результатов расчета напряжённо-дефор-мированного состояния однородно-анизотропных и изотропных оснований в виде слоев различной мощности и полуплоскости оказалось возможным простым способом учесть деформационную анизотропию грунтов основания при помощи коэффициентов влияния анизотропии грунта. Эти коэффициенты показывают, какую долю от напряжения в изотропной среде составляют соответствующие напряжения в анизотропной. Значения коэффициентов вычисляются по формулам:
Ка = Ош / (1)
Ка' = Оха / Ох, (2)
где Ка и Ка' - поправочные коэффициенты
влияния анизотропии
грунта;
о2а и оха - вертикальные и горизонтальные напряжения для анизотропной среды; ог и ох - то же, для изотропной.
Напряжения ^а и Оха, ^ и ^ вычислены для характерных точек грунтового массива, расположенных на центральной и угловой вертикалях загруженного участка поверхности. Поправочные коэффициенты влияния анизотропии грунта можно применять для корректировки величин осадок фундаментов, рассчитанных любым из существующих в настоящее время методов. Полученные данные достаточны для расчета осадок фундаментов, расположенных на поверхности полуплоскости или слоев различной мощности. Для удобства практического использования коэффициентов Ка и Ка' они вычислены для середин горизонтальных слоев, назначаемых под подошвой фундамента по [5] через 0,4Ь (Ь - ширина загруженного участка основания, равная ширине подошвы фундамента). В случае необходимости нетрудно провести интерполяцию значений Ка и Ка' как по показателю а, так и по глубине расположения точек, в которых вычисляются значения напряжений ^а и Оха. Коэффициенты, определяемые для точек угловой вертикали, необходимы для расчета осадок с учетом влияния нагрузок от соседних фундаментов. Значения горизонтальных напряжений Оx и Оха применяются для расчета осадок более строгими методами, в которых учитывается возможность боковых деформаций грунта основания. Влияние заглубления фундамента может быть учтено введением в расчет дополнительных напряжений от равномерной нагрузки на условной поверхности основания с интенсивностью, равной природному давлению грунта Оzg,o на уровне подошвы фундамента.
Выводы. 1. Для учета деформационной анизотропии в расчетах н.д.с. грунтовых оснований необходимо установить в лабораторных условиях показатель деформационной анизотропии по соотношению абсолютных деформаций или модулей деформаций.
2. Влияние деформационной анизотропии среды на величину прогнозируемых осадок фундаментов заметно (до 10%) даже при сравнительно слабом ее выражении у обычных природных грунтов. Это влияние достаточно велико для специфических видов грунтов, имеющих слоистую или столбчатую текстуру при значениях а, далеких от единицы.
3. Полученные данные позволяют учесть влияние анизотропии на осадки фундаментов, в том числе и для расчета осадок фундаментов с неодинаковой мощностью сжимаемого слоя грунта (при прочих равных условиях). С этой целью табличные значения напряжений, вычисленных для изотропной среды, корректируются с помощью коэффициентов Ка и Ка', и дальнейший расчет осадок проводится обычным методом.
Список литературы
1. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. - Введ. взамен ГОСТ 12248-78, ГОСТ 17245-99, ГОСТ 23908-79, ГОСТ 24586-90, ГОСТ 25585-83, ГОСТ 26518-85; Введ. 01.01.1997.
- М.: Изд-во стандартов, 1997. - 99 с.
2. Коробова О.А., Максименко Л.А. Методы усовершенствования расчета осадок грунтовых оснований //Интерэкспо Гео-Сибирь: Сб. материалов XI Междунар. науч. конф. (13-25 апреля 2015 г.), г. Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - Т.1. - №№1,
- С.194 - 199.
3. Коробова О.А., Максименко Л.А. Результаты исследования численными методами влияния мощности анизотропных линейно-деформируемых
слоев на их осадки //Интерэкспо Гео-Сибирь: Сб. материалов XII Междунар. науч. конф. (18-22 апреля 2016 г.), г. Новосибирск: СГУГиТ, 2016. - Т.2. - С.125 - 131.
4. Писаненко В.П. Об анизотропии деформационных свойств глинистых грунтов Новосибирского Приобья // Труды Новосибирского ин-та инж. ж.- д. трансп. // НИИЖТ, 1977. - Вып. 180. - С. 80-83.
5. Свод правил СП 22.1333.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. - М.: Министерство регионального развития, 2011. - 160с. 5182-78, ГОСТ 5183-77; Введ. 01.07.1985. - М.: Изд-во стандартов, 1985. - 24 с.
Еремкин А.И.
доктор технических наук, профессор кафедры теплогазоснабжение и вентиляция ФГБОУ ВО "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства", г. Пенза
Вялкова Н.С.
кандидат технических наук, доцент кафедры санитарно-технические системы ФГБОУ ВО "Тульский государственный университет ", г. Тула
ЭНЕРГОЭФФФЕКТИВНАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЙ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ, В ТОМ ЧИСЛЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ ПАССИВНЫХ, С ТРАДИЦИОННЫМИ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ТЕПЛОТЫ
ENERGOEFFEKTIVNEE HEATING OF BUILDINGS FOR VARIOUS PURPOSES, INCLUDING PASSIVE ENERGY, WITH TRADITIONAL AND RENEWABLE HEAT SOURCES
Eremkin A.I.,
doctor of technical Sciences, Professor, chair of heat and ventilation of the "Penza state University of architecture and construction ", Penza Vjalkova N.S.
candidate of technical Sciences, associate Professor of sanitary and technical system of the "Tula state
University ", Tula
АННОТАЦИЯ
Рассматривается уменьшение энергопотребления на обеспечение внутренних температурных условий, создание необходимого микроклимата в помещениях ABSTRACT
Reduction of power consumption by maintenance of internal temperature conditions, creation of a necessary microclimate in premises is considered
Ключевые слова: энергоэффективная система отопления, параметры микроклимата, периодический режим работы, возобновляемые источники теплоты
Keywords: the automated combined system of heating, microclimate parameters, a periodic operating mode, renewable heat
Введение
С ростом потребления традиционных топливных ресурсов осложняется их добыча и, соответственно, возрастает ее стоимость, кроме того, ухудшается экологическая ситуация в мире, поэтому в настоящее время научно-технический прогресс направлен на изыскание новых источников тепловой энергии.
Дефицит мощностей источников теплоты не позволяет осуществлять подключение к существующим системам теплоснабжения объектов капитального строительства при комплексном освоении земельных участков в целях жилищного строительства или при развитии застроенных территорий городов.
Резервы экономии напрямую связаны с применением новых энергосберегающих технологий, использующих возобновляемые источники энергии.
Теоретический анализ
Работа систем формирования внутреннего микроклимата в зданиях оказывает также большое влияние на использование энергии. Значительный эффект на уменьшение потребления энергии в здании могут оказать такие альтернативные меры, как периодическое отопление в течение суток и сезонное регулирование пределов комфортных условий; теплоснабжение, использующее нетрадиционные источники теплоты, которое, по сравнению с их традиционными аналогами, связаны не только со
