CC BY
12Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
УДК 692.1:624.15
Н.С. СОКОЛОВ1'2, канд. техн. наук, директор (forstnpf@mail.ru)
1 ФГБОУ ВО «Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова» (428015, Россия, Чувашская Республика, г. Чебоксары, Московский пр., 15) 2 ООО НПФ «ФОРСТ» (428000, Россия, Чувашская Республика, г. Чебоксары, ул. Калинина, 109 а)
Метод расчета осадок большеразмерных фундаментов при повышенных нагрузках
Большой опыт эксплуатации и результаты длительных наблюдений за осадками большеразмерных фундаментов при повышенных. нагрузках показывают, что фактические осадки оказались значительно больше расчетных величин, определенных по формуле расчета осадки, основанной на модели линейно-деформируемого слоя конечной толщины. Материал фактических осадок построенных объектов показывает, что кривые осадок состоят из линейного и нелинейного участков. Линейный участок имеет место для среднесжимаемых грунтов в первой половине среднего давления Р11т1. При Р11т1 больше 250-300 кПа начинается возрастание скорости осадки в процессе роста нагрузки до полной расчетной величины. Затем скорость осадки переходит в стадию стабилизации. Возрастание скоростей осадок на нелинейном участке следует объяснить возрастанием роли горизонтальных перемещений в общей деформации основания.
Ключевые слова: неравномерность деформаций, горизонтальные перемещения, скорость осадок, линейно-деформируемый слой конечной толщины.
Для цитирования: Соколов Н.С. Метод расчета осадок большеразмерных фундаментов при повышенных нагрузках // Жилищное строительство. 2018. № 6. С. 38-42.
N.S. SOKOLOV1,2, Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor, Director (forstnpf@mail.ru, ns_sokolov@mail.ru) 1 I.N. Ulianov Chuvash State University (15, Moskovskiy pr., 428015, Cheboksary, Russian Federation) 2 OOO NPF «FORST» (109a, Kalinina Street, Cheboksary, 428000, Russian Federation)
Method for Calculation of Settlements of Large-Size Foundations under Increased Loads
The large operational experience and the results of long-term observations of the settlements of large-size foundations under increased loads show that the actual settlements are much larger than the calculated values determined by the calculation formula for settlement based on the model of a linearly-deformed layer of finite thickness. The material of the actual settlements of the constructed objects shows that the settlements curves consist of linear and nonlinear sections. The linear section takes place for medium-compressible soils in the first half of the mean pressure Pllmt. When P11M is greater than 250-300 kPa, the settlement velocity begins to increase as the load increases to its full calculated value. Then the settlement velocity passes to the stabilization stage. The increase in settlements velocities should be explained by the increasing role of horizontal displacements in the general deformation of the base.
Keywords: non-uniformity of deformations, horizontal displacements, settlement velocity, linearly-deformed layer of finite thickness.
For citation: Sokolov N.S. Method for calculation of settlements of large-size foundations under increased loads. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2018. No. 6, pp. 38-42. (In Russian).
Наблюдения за осадками большеразмерных фундаментов при повышенных нагрузках показывают, что деформации грунтов, залегающих в их основаниях, имеют две стадии осадок во времени с ростом нагрузки на основание [1, 2]. Первая стадия осадки основания относится к уплотнению грунтов при нагрузке до Р11т1 = 250-300 кПа, когда кривая осадки прямо пропорциональна росту среднего давления Р11т1 на основание. Вторая стадия деформации основания происходит за счет горизонтальных перемещений грунтов основания, при этом нагрузка на основание превышает Р11т, = 250-300 кПа. На этой стадии осадка фундаментной плиты резко возрастает. Об этом свидетельствуют также исследования в стендовых условиях с моделями фундаментов, проведенных М.Н. Окуловой и М.Н. Балюрой [3-7], а также в полигонных и натурных условиях, проведенных Л.А. Шелест [8]. Наиболее ценные исследования в натурных условиях проведены в основаниях для случаев резервуаров и насыпей.
38| -
Так, например, Роберт Дар [9] провел натурные исследования в основаниях трех резервуаров диаметром D = 38 м и высотой h = 14,6 м с целью выявления роли горизонтальных перемещений в общей осадке этих сооружений. В основаниях этих резервуаров залегают плотные пески толщиной 4,8 м, супеси и суглинки мощностью около 6 м. Ниже подстилаются и плотные глины. Нагрузки на основание прикладывались ступенями и измерялись осадки по периметру и горизонтальные перемещения грунтов на различной глубине по вертикали, проходящей в непосредственной близости от резервуара. Усилия на основание создавались при помощи нагрузки от веса столба воды.
Анализируя результаты исследований, Р. Дар [10] пришел к выводу, что при увеличении нагрузки на основание резервуара наблюдается значительный рост горизонтальных перемещений грунтов. Максимальные величины зафиксированы на глубине г = 5 м от поверхности и составили на конец испытаний 5 = 19,5 см (рис. 1) при максимальной величине осадки 5 = 27,5 см.
^^^^^^^^^^^^^ |7'2018
Научно-технический и производственный журнал
Ц M
л
Underground construction
20
о
6
8
10
12
Глубина И,м
Рис. 1. Развитие горизонтальных перемещений по глубине в основании резервуара диаметра 0=38 м и высотой h=14,6 м при различных средних давлениях: 1 - Рцт,=73кПа; 2 - Рцт1=98 кПа; 3 - Рцт,=110 кПа; 4 - РПт,=122 кПа; 5 - РПт,=140 кПа; 6 - разгрузка
28
24
20
16
12
0
16 20 Глубина И, м
Рис. 2. Развитие горизонтальных перемещений при различных средних давлениях Рцт, на основание резервуара диаметром 0=67м и высотой h=14,7 м: 1 - Рцт,= 75 кПа; 2 - Рцт,=83 кПа; 3 - Рцт1=140 кПа; 4 - разгрузка
20
16
12
0
1 /
1 / / 3 J 4 У 7
/
4 8
12 16 20 24 28 32 36 40 44 48
Средняя осадка в период строительства, см
Рис. 3. Зависимость максимальных горизонтальных перемещений для насыпей: 1 — Cubzak — les — Ponts [15]; 2 — Каликса [16]; 3, 4 — Кинг Лина и Тиктона [17]
Отмеченное выше явление наблюдается и в экспериментах Белони [10], который также исследовал деформации основания резервуара диаметром 013 м и высотой h = 14,7 м. Как и в натурных экспериментах, проведенных Р. Даром [9], максимальные горизонтальные перемещения при тех же значениях давлений составили y = 19,2 см при максимальной осадке резервуара S = 73,8 см. Правда, при опорожнении этого резервуара горизонтальные перемещения грунтов в основании продолжали увеличиваться и достигли в конечном счете величины ymax = 25 см (рис. 2).
Исследованиями П.А. Коновалова и Р.А. Усманова [11] выявлено значительное влияние горизонтальных перемещений грунтов оснований на величину общей осадки моделей и натурных резервуаров. Величины пределов пропорциональности, определенных по графикам «осадки - нагрузка», указывают, что криволинейность графика S = f(P ) обусловливается все более возрастающими величинами горизонтальных перемещений грунтов оснований.
На тесную связь горизонтальных перемещений грунтов с вертикальными осадками указывают графики их взаимной зависимости. Линейная зависимость между ними наблюдается лишь на первых ступенях нагрузки, после чего горизонтальные перемещения начинают резко возрастать. На последних ступенях нагрузки приращение осадки определяется в значительной степени приращениями горизонтальных перемещений. Об этом убедительно свидетельствуют результаты наблюдений за осадками насыпей Cubzak - les - Ponts [12], Каликса [13], Кинг Лина и Тиктона [14], которые приведены на рис. 3.
Нами получены результаты аналогичные с результатами исследований Р. Дара [9], Белони [10], П.А. Коновалова и Р.А. Усманова [12] и др. Наблюдения за горизонтальными перемещениями в основании одного из объектов показали, что ордината максимального горизонтального перемещения ymax « 4 см (рис. 4) находится примерно на глубине Z « 0,2b. При этом средняя осадка составляет около
5 = 8 см. Среднее давление на момент исследований составило PIImt = 300 кПа.
Весь процесс деформации основания происходит за счет преимущественного сжатия верхних слоев основания.
06 этом наглядно свидетельствуют результаты наблюдений за послойными деформациями оснований рассмотренных объектов [1, 2], большеразмерных фундаментов и других сооружений. Следовательно, основания фундаментов [1, 2] работают по схеме линейно-деформируемого слоя конечной толщины. Поэтому согласно СП 22.13330.2011 для расчета средней осадки фундамента толщину сжимаемого слоя рекомендуется определять по формуле:
H=(H0+tb)Kp,
(1)
где Но и Г - параметры, разные для глинистых и песчаных грунтов соответственно Но = 9 м; Г = 0,15 и Но = 6 м; Г = 0,1; Ь - ширина фундамента.
В случае разнородных грунтов в пределах сжимаемой толщи основания следует принимать средние значения Но и Г. Значение множителя Кр принимается в зависимости от среднего давления Р11т1 на основание.
Для фундаментов рассмотренных объектов № 1-5 [1, 2] значение коэффициента Кр = 1,5. Кр определен эмпирически на основе результатов натурных исследований осадок и сжимаемости оснований большеразмерных фундаментов.
2
4
8
4
8
4
72018
39
Подземное строительство
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
Скв. 1
Горизонтальные перемещения, см 0 1 2 3 4
Горизонтальные перемещения, см 0 1 2 3 4
о 12
а н и
Ъ
л Г
15 18
о 12
а н и
Ъ
л Г
15 18
Рис. 4. Горизонтальные перемещения при наблюдении за объектом: а — схема расположения инклинометрических скважин № 1, 2; б, в — эпюры горизонтальных перемещений по глубине
4 Sy, мм
0,3 МПа
45 60
0,3 МПа
15
60
s \ V: — 0,65 МПа
.J J // 1 0,5 М Па / , f X
и / /
1 h, см 6 8 10 Sy,мм
0 15 30
0,1 МПа 45 60
Рис. 5. Экспериментальные и теоретические эпюры горизонтальных перемещений при различных средних давлениях на штамп Рдля суглинков различной влажности: а — w=0,144 д.е.; б — w=0,172 д.е.; в — w=0,198 д.е.; г — w=0,212 д.е.; д — w=0,229 д.е. Пунктирно — по К.Е. Егорову; сплошные — по экспериментам [4, 5]
Приведем пример определения Кр.
Результаты наблюдений осадок фундаментов объектов № 1 и 2 [1, 2] позволяют заключить следующее. В основаниях этих объектов залегают пески толщиной 20 м, которые подстилаются глинами. Результаты этих наблюдений двух объектов показывают, что после окончания приложения нагрузок на основания скорости осадок резко уменьшаются. Резкое затухание деформации основания свидетельствует о том, что осадки фундаментов в основном происходят за счет сжатия толщи песков. Решая уравнение (1), определяем Кр » 1,5.
Подставляя Кр = 1,5 в формулу (1), определим толщину сжимаемого слоя Н = 21 м для оснований фундаментов этих объектов. Результаты послойных перемещений свидетельствуют об удовлетворительной сходимости расчетной и фактической величин толщины сжимаемого слоя.
Существующие методы расчета осадок включают в себя горизонтальные перемещения только в рамках теории упругости, где их роль невелика в общей осадке. Результаты наблюдений за горизонтальными перемещениями (опыты М.В. Балюры и М.Н. Окуловой [4, 5] наглядно показывают, что они превосходят теоретические значения в 1,5-2 раза (рис. 5). По результатам, приведенным на рис. 2, произведена оценка влияния горизонтального расширения грунта на общую осадку штампа. Для исследованных грунтов доля горизонтальных перемещений в общей осадке штампа составляет от 45 до 60%.
Исходя из вышесказанного заключаем, что учет горизонтальных перемещений за пределами теории упругости позволит приблизить расчетные осадки к фактическим.
Формула расчета осадок большеразмерных фундаментов имеет вид:
40
7'2018
в
3
3
6
6
9
9
в
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Underground construction
Характеристики фундаментов, их фактические и расчетные осадки
Наименование объекта наблюдений Размеры фундамента, м Среднее давление под подошвой фундамента, кПа Средняя фактическая осадка, см Средняя расчетная осадка по формуле 2, см Средняя расчетная осадка по формуле 3, см
Объект № 1 48,8 680 34 25,7 33,8
Объект № 2 48,8 680 30 25,7 33,8
Объект № 3 68,2x68,2 520 40 30,9 45,1
Объект № 4 68,2x68,2 520 45 33,8 48
Объект № 5 68,2x68,2 520 47,5 33,8 48
s=
' п к■
. i=1
Et
м
(2)
Итак, формула расчета осадок большеразмерных фундаментов при повышенных нагрузках представится в виде:
где М - коэффициент, учитывающий концентрацию деформаций в пределах сжимаемой толщи (для определения деформации упругого полупространства следует принять М = 1).
При больших нагрузках на грунты возникает уплотненная зона в центральной части основания. В результате появляется возможность значительных горизонтальных перемещений грунтов и увеличения осадок фундаментов. На этот процесс оказывает влияние пластическая деформация грунтов за пределами фундаментов (рис. 4).
Для того чтобы учесть в практических расчетах увеличение осадки за счет горизонтальных перемещений, рекомендуется ввести коэффициент А, равный для глинистых и песчаных грунтов соответственно 1,3 и 1,2. Для смешанных грунтов А равен 1,25. Аналогичное предложение имеется у проф. А.К. Бугрова [15] для упругопластической модели основания.
Список литературы
1. Соколов Н.С. Длительные исследования процессов деформирования оснований фундаментов при повышенных нагрузках // Жилищное строительство. 2018. № 5. С. 3-8.
2. Соколов Н.С. Прогноз осадок большеразмерных фундаментов при повышенных давлениях на основания // Жилищное строительство. 2018. № 4. С. 3-8.
3. Балюра М.В. Горизонтальные перемещения в глинистых основаниях. В кн.: Исследования по строительной механике и строительным конструкциям. Томск: Томский государственный архитектурно-строительный университет, 1983. С. 45-51.
4. Балюра М.В., Окулова М.Н. О влиянии некоторых факторов на деформируемость грунтов в горизонтальном направлении. В кн.: Основания и фундаменты зданий и сооружений в условиях строительства Томска. Томск: Томский государственный архитектурно-строительный университет, 1977. С. 36-41.
5. Окулова М.Н. Исследование НДС грунтов вблизи загруженного штампа // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1966. № 4. С. 5-8.
6. Окулова М.Н. Экспериментальное исследование боковых деформаций в нагруженных песчаных основаниях и их роль в общей осадке. Томск: Томский государственный архитектурно-строительный университет, 1967. Т. II.
7. Окулова М.Н., Балюра М.В. Боковой распор и его роль в осадке фундамента. В кн.: Исследование НДС осно-
Sr=AS=A
. /=1
Et
М.
(3)
В таблице приведены результаты сопоставлений фактических осадок с расчетными по предлагаемой формуле (3) и по формуле (2). Анализируя таблицу, следует заключить, что формула (2) дает заниженные значения осадок примерно в 1,5 раза по сравнению с фактическими. Осадки же по предлагаемой формуле наиболее полно согласовываются с фактическими осадками. Расхождение составляет порядка 5-10%.
На рис. 5 приведены графики сопоставления фактических и расчетных осадок фундаментов различными методами. Опять же расчетные осадки по предлагаемому методу наиболее полно согласовываются с фактическими. В то же время расчеты по формуле (3) наиболее близко совпадают с расчетами по методу упругопластической модели [18].
References
1. Sokolov N.S. Long-term studies of the processes of deformation of foundations under heavy loads. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2018. No. 5, pp. 3-8. (In Russian).
2. Sokolov N.S. Forecast of settlement of large-size foundations at high pressures on the base. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2018. No. 4, pp. 3-8. (In Russian).
3. Balura M.V. Horizontal displacements in clay bases. V kn.: Issledovaniya po stroitel'noj mekhanike i stroitel'nym konstrukciyam [Studies in Building Mechanics and Building Constructions]. Tomsk: Tomskij gosudarstvennyj arhitekturno-stroitel'nyj universitet. 1983, pp. 45-51. (In Russian).
4. Balura M.V., Okulova M.N. On the influence of some factors on the deformability of soils in the horizontal direction. V kn.: Osnovaniya i fundamenty zdanij i sooruzhenij v usloviyah stroitel'stva Tomska [Bases and foundations of buildings and structures in the construction of Tomsk]. Tomsk: Tomskij gosudarstvennyj arhitekturno-stroitel'nyj universitet. 1977, pp. 36-41. (In Russian).
5. Okulova M.N. Investigation of the stress-strain state of soils near the loaded stamp. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 1966. No. 4, pp. 5-8. (In Russian).
6. Okulova, M.N. Experimental study of lateral deformations in loaded sandy bases and their relays in the total sediment. Tomsk: Tomskij gosudarstvennyj arhitekturno-stroitel'nyj universitet, 1967. (In Russian).
7'2018
41
Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
ваний и фундаментов: Межвузовский сборник. Новочеркасск, 1971. С. 88-92.
8. Шелест Л.А. Вертикальные и горизонтальные деформации грунта при штамповых испытаниях // Труды НИИОСП. М.: НИИОСП, 1972. Вып. 63.
9. Darragh R.D. Controled Water Tests to Pre-load Tank Foundations. Pros. A.S.C.E. 1964. Vol. 90, pp. 303-329.
10. Belloni L.A., Garassini LA., Jamiolkowaki M. Differential Settlments of Petiuleum Steel Tanks. Proc. Conference on Settlements of Structures, Cambridge, pp. 323-328.
11. Коновалов П.А., Усманов Р.А. Исследование деформаций сильносжимаемых оснований гибких штампов и резервуаров. Труды Дунайско-Европейской конференции по механике грунтов и фундаментостроению. Кишинев, 1983. Т. 3. С. 107-112.
12. Magnan J.-P., Mieussens C, Queyroi D. Comportements du rembal experimental В a Cubzak - les - Ponts. Revue Francaise de Geotechnique. 1978. № 5, pp. 23-26.
13. Holtz R.D., Holm G. Belastningaforsok pa svartmoka. Swedish Geotechnikal Institute, Internal Report to the National Swedish Road Board. 1973, 64 p.
14. Wilkes P.F. An induced failure at a trial embankment at King's Lynn Norfolk. England. Proc. ASCE Specialty Conference on Performance of Earth and Earth Supported Structures, Purdue University, Lafayette. IN. 1972. Vol. 1 (1), pp. 29-63.
15. Бугров А.К., Голубев А.И. Напряженно-деформированное состояние анизотропных оснований с областями предельного равновесия грунта. Труды Дунайско-Евро-пейской конференции по механике грунтов и фундамен-тостроению. Кишинев, 1983. С. 203-207.
7. Okulova M.N., Balyura M.V. Bokovoj raspor i ego rol' v osadke fundamenta. V kn.: Issledovanie NDS osnovanij i fundamentov. Novocherkassk: 1971, pp. 88-92.
8. Shelest L.A. Vertical and horizontal deformation of soil during die testing. Trudy NIIOSP. Moscow. NIIOSP, 1972. Vol. 63. (In Russian).
9. Darragh R.D. Controled Water Tests to Pre-load Tank Foundations. Pros. A.S.C.E. Vol. 90, 1964, pp. 303-329.
10. Belloni L.A., Garassini LA., Jamiolkowaki M. Differential Settlments of Petiuleum Steel Tanks. Proc. Conference on Settlements of Structures, Cambridge, pp. 323-328.
11. Konovalov P.A., Usmanov R.A. Investigation of deformations of highly compressible bases of flexible dies and reservoirs. Trudy Dunajsko-Evropejskoj konferencii po mekhanike gruntov i fundamentostroeniyu. Kishinev, 1983. Vol. 3, pp. 107-112. (In Russian).
12. Magnan J.-P., Mieussens C, Queyroi D. Comportements du rembal experimental B a Cubzak - les - Ponts. Revue Francaise de Geotechnique, 5, 1978, pp. 23-26.
13. Holtz R.D., Holm G. Belastningaforsok pa svartmoka. Swedish Geotechnikal Institute, Internal Report to the National Swedish Road Board. 1973, 64 p.
14. Wilkes P.F. An induced failure at a trial embankment at King's Lynn Norfolk. England. Proc. ASCE Specialty Conference on Performance of Earth and Earth Supported Structures, Purdue University, Lafayette. 1972. Vol. 1 (1), pp. 29-63.
15. BugrovA.K., GolubevA.I. Stress-strainstateofanisotropicbases with regions of maximum equilibrium of soil. Trudy Dunajsko-Evropejskoj konferencii po mekhanike gruntov i fundamentostroeniyu. Kishinev. 1983, pp. 203-207. (In Russian).
Вниманию строителей, проектировщиков, специалистов сферы ЖКХ!
]
ПРОЕКТ ПРОЕКТ
ПАРКИ МАЛЫХ I □ I ГОРОДСКАЯ ГОРОДОВ I СРЕДА
Дворец Спорта
центральный вход
ПРИОРИТЕТНЫЙ ПРОЕКТ "ФОРМИРОВАНИЕ КОМФОРТНОЙ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ"
ВЫСТАВКА
СТРОЙ-ВОЛГА
Пншш
ВВВИ1ВВ
Выставочный центр "ЦАРИЦЫНСКАЯ ЯРМАРКА"
www.zarexpo.ru, (8442) 26-50-34
42
72018
