CC BY
137
УДК 69.059.38
МЕТОДЫ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАСЧЕТА ОСАДОК ГРУНТОВЫХ ОСНОВАНИЙ
Ольга Александровна Коробова
Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет, 630008, Россия, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113, доктор технических наук, профессор кафедры ИГОФ, e-mail: oakorobova@mail.ru
Любовь Александровна Максименко
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры геоматики и инфраструктуры недвижимости, e-mail: maksimenko_la@mail.ru
Рассматривается методика расчета грунтовых оснований существующих и дополнительно возводимых фундаментов, а также проектирование оснований фундаментов эксплуатируемых зданий при реконструкции с учетом деформационной анизотропии грунтов.
Ключевые слова: осадка фундамента, напряженно-деформированное состояние грунтового основания, деформационная анизотропия, методика расчета грунтовых оснований.
TECHNIQUES FOR IMPROVING GROUND BASE SETTLEMENT CALCULATION
Olga A. Korobova
Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering, 630008, Russia, Novosibirsk, 113 Leningradskaya St., Ph. D., Prof., Department of Engineering Geology, Basements and Foundations, e-mail: oakorobova@mail.ru
Lyubov A. Maksimenko
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Assoc. Prof., Department of Geomatics and Property Infrastructure, e-mail: maksimenko_la@mail.ru
Techniques for ground base calculations are considered. They involve existing foundations and those to be built as well as design of basements for buildings under reconstruction taking into account strain anisotropy of the soil.
Key words: foundation settlement, ground base mode of deformation, strain anisotropy, techniques for ground base calculations.
Большие масштабы строительства в нашей стране, а также связанные с этим капитальные затраты выдвигают на первый план проблему снижения их стоимости. В связи с этим расчеты конструкций, подтверждающие соответствие условиям надежной эксплуатации должны быть достоверными и исключать излишние запасы прочности, влекущие за собой неоправданный перерасход строительных материалов. В теории расчета строительных конструкций объектов достигнуты определенные успехи, но некоторые вопросы остаются пока недостаточно проработанными для их практического применения. Отсут-
ствуют или мало освещены рекомендации по расчету некоторых видов строительных конструкций, в связи с чем проектировщики нередко испытывают трудности и вынуждены прибегать к различным приближенным, недостаточно обоснованным методам расчета. В результате этого конструкции принимаются, как правило, с избыточным запасом надежности и становятся более материало-емкими, а иногда, вследствие неточности расчетов, недостаточно надежными, что приводит к сокращению их долговечности, а иногда и к аварийным последствиям. [1] . Методика расчета грунтовых оснований существующих и дополнительно возводимых фундаментов, а также проектирование оснований фундаментов эксплуатируемых зданий при реконструкции с увеличением нагрузок определена в соответствии с СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений». Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*.
В общем деле повышения эффективности строительства существенно важным является совершенствование методов проектирования оснований и фундаментов, стоимость устройства которых может доходить до 20—30% стоимости зданий и сооружений. Сложность инженерно-геологической обстановки площадок строительства, уникальность и масштабность современных сооружений, повышение технологических нагрузок и этажности зданий требуют возможно полного учета свойств грунтов оснований, что можно обеспечить только при использовании новейших достижений в области механики грунтов, горных пород и численных методов расчета.
В последние 20—30 лет экспериментальными исследованиями неоспоримо доказано, что одной из существенных и общих особенностей скальных и нескальных пород и грунтов является анизотропия их свойств [2]. В связи с этим авторами предлагается усовершенствование методики расчета осадок оснований фундаментов в условиях реконструкции, которая позволяет более полно учесть фактические свойства грунтов, обладающих как показывают многочисленные исследования, как у нас в стране, так и за рубежом, свойством деформационной анизотропии.
Проведены экспериментальные и теоретические исследования по выявлению и оценке напряженно-деформированного состояния анизотропных грунтовых оснований, целью которых явилось создание практического метода расчета деформаций грунтовых оснований, позволяющий учесть их деформационную анизотропию в расчетах.
На первом этапе при оценке инженерно-геологических условий необходимо определить модули деформации грунтов по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Для определения деформируемости грунтов по взаимно перпендикулярным направлениям пробы грунта необходимо отбирать при вертикальном и боковом положении колец (по шесть проб в каждом случае). Исследования грунтов естественного сложения были проведены по стандартным методикам [3] в уплотнителях системы "Гидропроект". Исследование деформационной анизотропии грунтов, имеющих структуру, сформированную простой отсыпкой, уплотнением виброванием или трамбованием было проведено в при-
боре трехслойного сжатия (ПТС системы А.Л. Крыжановского) с независимым регулированием переменных величин главных напряжений.
Полученные в экспериментах значения деформаций образцов грунта в вертикальном и горизонтальном направлениях были использованы для оценки деформационной анизотропии грунтов. При анализе полученных результатов оказалось возможным оценить степень деформационной анизотропии грунтов показателем анизотропии а = sx/sz = sx/sz; где sz и sx , sz и sx - абсолютные и относительные деформации в вертикальном и горизонтальном направлении соответственно, а для грунтов, испытанных в приборе трехосного сжатия эта оценка была проведена по отношению sx/sy (по взаимно перпендикулярным горизонтальным направлениям y и x). Показатели анизотропии а исследованных видов грунта изменились от 0,5 до 2,1, т.е. практически ощутимо.
Из вышесказанного следует, что модули деформации Ez и Ex можно определять известными методами (СНиП 2.02.01-83* [4]). Показатель деформационной анизотропии а = Ez/Ex = sx/sz устанавливается по результатам компрессионных испытаний стандартных образцов грунта, вырезанных из монолита или непосредственно в месте отбора проб грунта по вертикальному и горизонтальному направлениям; sx и sz - относительные деформации образцов грунта в условиях невозможности бокового расширения при отборе образцов в горизонтальном и вертикально направлениях соответственно. Значения sx и sz можно определить также испытаниями образцов в стабилометре. Значения коэффициента Пуассона vyx в расчетах н.д.с. анизотропной полуплоскости (слоя) для различных грунтов рекомендуется принимать табличными и равными для песков -0,25; супесей - 0,30; суглинков - 0,35 и глин - 0,40.
Напряженное и деформированное состояние трансверсально-изотропной полуплоскости (слоя) рекомендуется устанавливать по результатам расчетов, выполненных методом конечных элементов по любым существующим в настоящее время программным комплексам, по которым можно получить картину напряженно-деформированного состояния грунтовых оснований (COSMOS, COSMOSM, ANSYS, PLAXIS и др.) при известных значениях модулей деформации грунтовой среды Ez и Ex по вертикальному и горизонтальному направлениям соответственно; коэффициентах Пуассона vyx и vxz в предположении vyx = vxz, где первый параметр характеризует боковое расширение грунта в плоскости изотропии (в горизонтальной плоскости xy), а второй - расширение в вертикальном направлении от нормальных горизонтальных напряжений; модуле сдвига Gxz в вертикальной плоскости деформирования; величина vzx = vxz (Ez / Ex).
При сравнении полученных результатов расчета напряженно-деформированного 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 соответ-
ствующие напряжения в анизотропной. Значения коэффициентов вычисляются по формулам:
Ка = Ога / а2 (1)
Ка' = Оха / Ох.
где Ка и Ка' - поправочные коэффициенты влияния анизотропии грунта;
аш и аха - вертикальные и горизонтальные напряжения для
анизотропной среды;
а2 и ах - то же, для изотропной.
Напряжения а2а и аха, а2 и ах 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. [4]
Полученные данные [3], [5] 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 СНиП 2.02.01-83*[4] 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 а2а и аха. Коэффициенты, определяемые для точек угловой вертикали, необходимы для расчета осадок с учетом влияния нагрузок от соседних фундаментов. Значения горизонтальных напряжений ах и аха 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 а2ё;0 на уровне подошвы фундамента.
Полученные расчетам результаты позволяют усовершенствовать метод послойного суммирования деформаций, разработанный на основе рекомендуемого нормами метода.
Усовершенствование метода заключается в учете деформируемости грунта по вертикальному и горизонтальному направлениям при действии вертикальных а2р, а и горизонтальных ахр, а дополнительных напряжений, рассчитываемых для точек полуплоскости, которые расположены на центральной вертикали посредине слоев Ь^ предусмотренных формулой :
5 • кг ,
(2)
О'2р4,а ч Охр,г,а
где —(1 -Ухуу) (1 + Уу).
Е ху 'у £
Наиболее просто влияние анизотропии можно учесть по формуле путем корректировки только напряжений а2рд, т.е. по формуле:
к
5 — РЕОча^ (3)
При этом точность расчета осадок несколько снижается.
Толщина ^ и количество п слоев принимается в соответствии со СНиП 2.02.01-83*; значения У[ - табличные, в соответствии с п. 7.2.1 и 7.2.3.
Дополнительные напряжения вычисляются по зависимостям:
О 2р4,а О 'р, К а
°хр,г,а Охр,1 Ка
гтУ — гту ИГУ
О хр,1,а — О гр,г ' Ка
гтУ — гтУ ИГУу
О хр,г,а — О хр,I ' К а ,
где а2р (оУ'р) и о (аУхр) в соответствующих точках 1 изотропной полу-
плоскости определяются по имеющимся решениям для линейно -деформируемой среды;
К (КУа) и К'а (КУ а) - коэффициенты влияния анизотропии грунта для характерных точек центральной и угловой вертикалей.
Значения К (КУа) и К'а (КУ а) получены путем сопоставления соответствующих напряжений, рассчитанных методом конечных элементов при а = 1 и а ф 1.
Применение изложенной методики расчета осадок фундамента целесообразно при реконструкции, а также для расчета осадки слоя конечной мощности.
Установлено также, что в тех случаях, когда основание имеет показатель деформационной анизотропии а < 1, значения расчетного сопротивления грунта основания Я увеличиваются, что приводит к уменьшению размеров подошвы фундаментов и к получению известного экономического эффекта, и, наоборот, при а >1 требуется увеличение размеров подошвы по сравнению с установленными по СНиП 2.02.01-83* "Основания зданий и сооружений". Исследования показали, применение изотропной модели для расчетов грунтовых оснований приводит к искажению действительной картины н.д.с. основания.
Влияние деформационной анизотропии на величину прогнозируемых осадок при слабо выраженной анизотропии обычных грунтов оценивается величи-
ной, достигающей 10-40% от расчетной осадки фундамента, расположенного на изотропном основании. Полученные данные можно использовать в расчетах оснований по деформациям при надстройке зданий и сооружений, принимая во внимание, что для анизотропных грунтов показателем анизотропии а < 1 расчет по методике СНиП 2.02.01-83* не учитывающей анизотропию, приводит к завышенным значениям осадок, а также при таких способах усиления фундаментов, как уширение подошвы фундамента, устройства обойм, рубашек, наращиваний и т.п. Для грунтов, характеризующихся показателями анизотропии а > 1, традиционный расчет дает уменьшение значения осадок, и если учесть, что для таких грунтов особенно велико влияние деформационной анизотропии, т.к. это, как правило, грунты, имеющие слоистую или столбчатую текстуру, то пренебрегать этим фактом при реконструкции недопустимо. Деформационную анизотропию необходимо учитывать и при переустройстве столбчатых фундаментов в ленточные, а также при пересадке фундаментов на сваи, т.к. все вышеизложенное справедливо и для расчета свайных фундаментов и их оснований по деформациям. Обязателен учет деформационной анизотропии и при расчете осадки фундаментов при возведении нового здания около существующего, т.к. для слабых грунтов основания увеличение расчетной осадки за счет учета деформационной анизотропии может оказаться недопустимо большим, особенно с точки зрения неравномерности осадок соседних фундаментов.
Вывод: Предлагаемый практический метод учета деформационной анизотропии может быть рекомендован для внедрения в практику проектирования фундаментов строящихся, реконструируемых и восстанавливаемых зданий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рыбин В. С. Проектирование фундаментов реконструируемых зданий. - М. : Стройи-здат, 1990. - 296 с.
2. Бугров А. К., Голубев А. И. Анизотропные грунты и основания сооружений. - СПб.: Недра, 1993. - 245 с.
3.Коробова О. А., Бирюкова О. А. Лабораторные исследования деформационной анизотропии грунтов при инженерно-геологических изысканиях // Инженерные изыскания. - М. -2012. - № 6. - С. 24-32.
4. СНиП 2.02.01-83*.0снования зданий и сооружений. -М.:ГУП ЦПП, 2003.-48с.
5. Korobova O. A., Maksimenko L. A On the question of calculation Models formation in research of anisotropy foundations - Proceedings of the Kazakhstan-Japan Joint geotechnical Seminar (2-3 August), Astana, 2001.
© О. А. Коробова, Л. А. Максименко, 2015
