CC BY
132
11. Heofyzycheskaya apparatura: sb. nauch. st. / Nauchn. red. A. V. Matveev y dr. - Lenynhrad : Nedra, 1980. - 224 s.
12. Kovshov H. N. Pryborbi kontrolya prostranstvennoy oryentatsyy skvazhyn pry burenyy / H. N. Kovshov, H. Yu. Kolovertnov. - Ufa : Yzd-vo UHNTU, 2001. - 228 s.
13. Hel'man M. M. Preobrazovately napryazhenyya v kodyrovannuy vremennoy ynterval / M. M. Hel'man. - M. : Э^Ауу^ 1970. - 80 s.
14. Sposob y ustroystvo preobrazovanyya syhnalov ot datchykov ynduktyvnoho y rezystornoho typov Patent 2168728 Rossyyskaya Federatsyya MPK7 G 01 R 27/02 / V. Y. Smyrnov; zayavytel' y patentoobladatel' Smyrnov Vytalyy Yvanovych. - № 99126361/09; Zayavleno 14. 12. 99; Opubl. 10. 06. 01, Byul. № 16. - 5 s.
УДК 624.131:624.042:624.154
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ОСНОВАНИЯ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ НА ЛЁССОВЫХ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТАХ ПРИ ЗАМАЧИВАНИИ ПРОСАДОЧНОЙ ТОЛЩИ СНИЗУ ВВЕРХ (ПОДТОПЛЕНИЕ ТЕРРИТОРИЙ)
А.Н. Моторный, магистр, с.н.с.; Н.А. Моторный, к.т.н., доц.
Ключевые слова: подтопление территории; силы отрицательного трения Рп; зона распределения сил трения на боковую поверхность; анизотропия влагопереноса; стрела арки
Введение. Развитие нормативных документов по свайным фундаментам (СНиП 11-Б.5-67*; СНиП 11.17-77; СНиП 2.02.03-85 и действующийсегодняДБН В.2.1-10-2009.Змша 1) указывает на особый поход к вопросам НДС оснований свайныхфундаментов в обычныхаллювиально-делювиальныхгрунтовыхотложениях.СНиП 11-Б.5-67*, на заре формирования нормативных документов по расчету и проектированию свайных фундаментов не освещаетвопросовпроектированиясвайныхфундаментов на лессовыхпросадочныхгрунтах; СНиП 11.17-77 какособый фактор выделяетотдельныйраздел по
проектированиюсвайныхфундаментов в особыхгрунтовыхусловиях - на просадочныхгрунтах, где, в частности,рассматриваютсявопросыучёта сил отрицательноготрения на боковуюповерхностьсвай при проявлении просадки просадочнойтолщи для площадок, относящихсяковторому типу грунтовых условий по просадочности. При этомпредлагалосьсилыотрицательноготрениягрунта при просадке Рп - вычислять по значениямрасчетногосопротивления /-го слоя грунта на боковой поверхности сваи при показателе консистенции IL, соответствующего полному водонасыщению лёссового грунта: fi =
fisat; Rn = ULf hsl.
Следует учесть, что несущая способность сваи по грунту вычислялась по формуле:
Fd = yc(ycR x R*A + ULycfXfiXhi); причем / - силы трения грунта на боковую поверхность ствола сваи принимались по таблицу 2СНиП 11.17-77 при полном водонасыщении грунта /isat. Тогда несущая способность сваи с учетом просадочных свойств грунта запишется выражением
Fd = (yCR*R*A+ULfisathi) - Lfiatt* Kl*U и после простых преобразований получается несущая способность сваи:
Fdsl = YcrKRxA + ULfisat (h - hsl) = (Jcr*R*A + ULfsa^h), т.е. силытрениягрунта на боковойповерхностисваиучитываютсятольков пределахтолщиныслоя непросадочного грунта, в которыйзаглубляетсянижнийконецсваи (hi).
После неудачного проектирования и воплощения проекта в натуру на территории сложенной просадочными грунтами, с мощностью просадочной толщи 18>^>26^28м (проектная организация не имела опыта проектирования тяжелых промышленных зданий на площадках, сложенных лёссовыми просадочными грунтами второго типа грунтовых условий по просадочности) и проявлении, при стечении
экстремальныхситуаций,разрушительныхпросадочныхдеформаций свайных
фундаментов,законодатель нормативных документов по строительству «ГОССТРОЙ СССР» и исполнитель ВНИИОСП им. Герсеванова без теоретических и практических обоснований «откорректировали» формулу для определения сил отрицательного трения грунта на боковую поверхность сваи в виде: Pn = ULohslтiOhi,при коментарии: Ti - расчетное сопротивление,Кпа, определяемое до глубины h = 6,0м по формуле:гг- = ^Uazgntg^I+CI, котораяне
соответствуетрасчетнойсхемеработысваи в лёссовых(глинистых) грунтах,
нозатонесущаяспособностьсваи с учётом сил отрицательноготренияснижается до минимума,а в отдельныхслучаяхстремится к ^ 0 илистановится менше нуля (свая «тонет»), чего на практике за периодэксплуатациисвайныхфундаментов в просадочныхгрунтах ненаблюдалось (не зафиксировано).
ДБН В.2.1-10-2009.Змша 1(издатель Мiнрегiонбуд Укра1ни)исполнитель:Державне шдприемство «Державний науково-дослiдний iнститут будiвельних конструкцш «ДП НД1БК» Мiнрегiонбуд Украши» принял ту же схему, что и СНиП 2.02.03-85, неутруждаясебя, хотя при рассмотрении первой редакцииготовящегося к изданию ДБН В.2.1-10-2009 рецензент сделал указанызамечания по несоответствиюрасчетнойсхемыработысвай в
просадочныхлёссовыхгрунтах, принятыхСНиП 2.02.03-85, какиндентичность сил трения грунта на боковойповерхностисвай силам сопротивлениягрунтасрезу (согласно закону Кулона) и необходимостисилыотрицательноготренияопределять по той же схеме,что и силысопротивлениягрунта на боковойповерхностисвай, используяданныетаблицы М.2.2. ДБН В.2.1-10-2009. Змша 1 для варианта водонасыщенного грунта.
Проявление просадочных деформаций происходит по двум схемам в зависимости от направления замачивания.
Направление замачиваниясверху вниз.При этоминфильтрацияводы в грунтепроисходит в комплексе с проявленим просадочныхдеформаций, которыенаходятся в зависимости от генезисалёссового посадочного грунта и от временипроявления просадочности, т.е. от проявленияреологическихсвойствпроседающегогрунта. Для этогонаправления
(замачиваниесверху вниз) разработанытеоретическиеосновы [6] и
экспериментальныеисследования[5]. Сформулированыосновные, приемлемые на сегодняшний день, нормативне документы [СНиП 2.02.01-83;ДБН В.1.1-5-2000; СНиП 2.02.03-85; ДБН В.2.1-10-2009; ДБН В.2.1-10-2009.Змша 1], которые,может быть, не весьма полно, но все-таки отражают практическую сторону просадочных деформаций с учётом того, что в процессе инфильтрации воды сверху вниз сначала замачиваются верхние слои и прослойки лёсовогопросадочного грунта, происходит водонасыщение, растворение карбонатных цементационных связей между пылеватыми частицами лёссового грунта, разрушение сформированной текстуры и структуры грунта, увеличение его удельного веса и вместе с этим нагрузки на нижние подстилающие верхние слои и прослойки, в результате чего увеличивается просадочная деформация подстилающих нижних слоёв просадочного грунта.
По рассматриваемой схеме замачивания лёссовой толщи и проявления просадочных деформаций данный процесс можно выразить функцией:
Ssl = №Р,Ъ Ъь кй, Еа) (1)
В этом случае возрастание просадки проявляется сверху вниз и силы Рп отрицательного трения на боковую поверхность ствола сваи также передаются в наростающем итоге от d<h<hslв полном объёме,т.к. проявившаяся просадка передаёт трение грунта на боковую поверхность в нарастающем итоге безпрерывно до полного проявления просадочныхдеформаций от верхних до последних нижних слоёв. Поэтому выражение для сил отрицательного трения Рп = или Рп = Ц^тДполностью отвечает реализации сил
трения на боковую поверхность ствола сваи при просадкепросадочной толщи.
В связи с этим напряженное состояние основания свайных фундаментов, согласно принятой схеме замачивания просадочной толщи сверху вниз, реализуется выражением:
рг 4 Яп
а) для одиночных свай: а = Ло ,
(2)
где ХА' ~ суммарная вертикальная нагрузкана сваю,кН;
А0 - площадь условного фундамента одиночной сваи: А„ = (с! 2И% 4
Рп - силы отрицательного трения грунта на боковую поверхность ствола сваи:
Рп = ЦЪДЧД , принимаем согласно ДБН В.2.1-10-2009.
/—расчётное сопротивление трению г-го слоя грунта соприкасающегося с боковой поверхностью сваи кПа (по табл. ДБН)
б) для куста свай свайного фундамента:
ТШ 4- пкх Рп
о= йнуф (21)
в) для свайного поля:
2Н1кРи о= Апуф ; (211)
где: Ауф, Ауф.сп., соответственно площадь условного фундамента куста и свайного поля. пк, пр - соответственно количество свай в кусте и свайном поле.
Напряженное состояние грунта вокруг ствола сваи определяется из условия равновесия в процессе проявления просадки.
Результирующее:
оП
--
м/Щ^ з
где: у— удельный вес грунта, окружающего сваю,кН/м3;
(3)
к = Хо Дг - аналогична длине ствола сваи;
Ф - угол внутреннего трения грунта, окружающего ствол сваи;
С - удельное сцепление грунта, окружающего ствол сваи.
и - периметрпоперечного сечения ствола сваи;
/я^-расчетное сопротивление сил трения грунта на боковую поверхность ствола сваи в пределах просадочной толщи Д) при полном водонасыщении;
/' - тоже для грунта непросадочного подстилающего просадочную толщу грунта, в который погружается нижняя часть сваи;
к' - мощность непросадочного слоя подстилающегопросадочную толщу грунта, прорезаемого сваей.
Напряженное состояние грунта вокруг ствола сваи при проявившейся просадке просадочной толщи:
Результирующее:
где силы трения на боковую поверхность сваи увеличивают напряженное состояние массива грунта вокруг ствола сваи.
Зона распространения влияния сил трения на боковую поверхность определяется по формуле (для дискретного распределения) :
1) а: = + - до проявления просадки;
р-ад«* 1 1
2) сг_ = /?Л/ + /,' ¡11 - после проявления просадки; (5)
3) ох = оу = yEtg2(45 - ф/2) - 2^(45 - ф/2).
Замачивание просадочной толщи снизу вверх.Замачивание просадочной толщи снизу
вверх происходит в процессе подъема уровня подземных вод вследствие замачивания толщи сверху вниз от постоянного источника замачивания, инфильтрации воды от источника вниз, обводнения территории в пределах распространения влаги (п.п.3.1^3.14 «Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений») от источника до водоупора или относительного водоупора, а далее распространяясь горизонтально постепенномуподъему воды от водоупора вверх со своим коеффициентом фильтрации, который будет зависеть от изменения напорного градиента I, находящегося в прямой зависимости от мощности просадочной толщи кь и отметки расположения источника замачивания ко. Учитывая, что подъём уровня подземных вод происходит одновременно с разгрузкой подземных вод и если учесть. что в процессе разгрузки напорный градиент снижается пропорционально с разгрузкой, то можно определить скорость подъёма уровня подземных вод (скорость подтопления). На практике зафиксирована максимальная скорость подъёма УПВ равная 1,5м/год с учётом капиллярного поднятия (пк = сот1),что эквивалентно коэффициенту фильтрации Кф= 0,00000475см/сек = 5*10~6см/сек.
Обводнение лёссовой просадочной толщи со скоростью ~ 0,41м/сутки или 0,017см/час практически не оказывает существенного влияния на развитие просадочных деформаций, скорее всего на процесс накопления микродеформаций и постепенного
проявленияпросадочных деформаций, которые передают силы отрицательного трения на боковую поверхность ствола свай. Данный процесс можно приравнять к процессу консолидации лёссового грунта от нагрузки собственного веса Pg. В этом случае речь может идти не о просадке обводненной толщи, а о деформации слабых водонасыщенных грунтов, при проявлении которой возможны передачи сил отрицательного трения грунта на боковую поверхность ствола свай при проявлении вертикальных деформаций слабых водонасыщенных грунтов. Напряженное состояние грунта под нижним концом сваи запишется известным выражением:
гт т
oog: = А*§+ o:g; oogy = ¿0§ С- a:g,
где ^№-сумма вертикальных нагрузок, передаваемых на одиночные сваи;
Aog - площадь условного фундамента под одной сваей: Aog = (d+2lce*tgpc/4)2;
п-у - напряжение от собственного веса грунта, п-у К ' Z ;
<Р
с - коэффициент бокового давления грунта с = tg:(45 - 2 );
Данная трактовка подтверждается экспериментально при проявлении обводнения лёссовой просадочной толщи в период «устранения» просадочныхсвойств лёссовой толщи предварительным замачиванием на застроенной территории (жилмассив Тополь-1 г. Днепропетровск). Результатом применения предварительного замачивания просадочной толщи в пределах застроенного микрорайона (к,1>25м) явилось проявление неравномерных просадочных деформаций на застроенной территории, повреждение (разрушение) практически всех водонесущих коммуникаций, полное обводнение территории с подъёмом воды снизу вверх со скоростью 1,5м/год, гидравлического прорыва разрушенного ремонтными работами склона, полного разрушения двухсекционного девятиэтажного жилого дома №22, средней школы и четырех детских садиков. Рядом с домом №22, построенном на искусственном основании, дом №20, построенный на свайных фундаментах с полной прорезкой просадочной толщи, деформаций не претерпел, признаков деформаций свайных фундаментов и наземных конструкций,снижающих их несущую способность, не выявлено. В сложившейся ситуации подъём уровня подземных вод и проявившаяся просадка не передала силы отрицательного трения на боковую поверхность ствола сваи, не увеличила нагрузку на сваю, а быстрый отток накопившейся воды в грунте привел к равномерным деформациям, что в сложившейся чрезвычайной ситуации позволило сохранить жилой дом №20 без признаков деформаций несущих конструкций здания с учетом эксплуатации его (кирпичного здания) свыше 20 лет.
Приведенный выше пример эксплуатации свайных фундаментов в условиях постепенного обводнения территории (продолжительность обводнения свыше 10 лет) и сформированной разгрузкой подземных вод, в процессе которого гидрорежим площадки сбалансировался (объём поступления воды в грунт равняется объёму разгрузки с указанной скоростью подъёма УГВ и = 1,5м/год, показывает, что обводнение территории с замачиванием снизу вверх, за счет дифференцированного подъёма УГВ не передаёт силы отрицательного трения на боковую поверхность ствола сваи за счет медленного нарастания деформации, практически не ощущаемого для здания, и не увеличивает нагрузки на сваю. Несущая способность сваи может снижаться только за счет изменения консистенции грунта под нижним концом сваи и на боковой поверхности при условии, что при проектировании и возведении свайных фундаментов выполнены требования нормативных документов(ДБН В.2.1-10-2009.Змша 1).
Влияниеанизотропии и кольматации пор грунта.Вариантанизотропиивлагопереноса в лёссовыхгрунтах не новость. В связи с этим явленим (Ка>1) и неоднородностьюзернового состава происходит кольмотация пор в грунте [8]чащевсего в горизонтальномнаправлении и предполагаемаятеоретическая разгрузка подземных вод становитсянереальной. Происходитускоренныйпроцесс (обводнения)
подтоплениятерриториисоскоростью,определяемой по показателямводопотерь^ (м3/сутки). В этом случае с учетом вертикальной анизотропии скорость подтопления может быть весьма внушительной (до 5^10 м/сутки) что примерно в 25 раз превышает коэффициент фильтрации грунта в обычных условиях Кф= 0,41см/сутки против Кф= 10м/сутки. В таких условиях подтопления, начиная с нижних слоёв, происходит в предположении, что сваями прорезана просадочная толща и нижние концы сваи заглублены в непросадочный грунт согласно требованиям ДБН), проседание замачиваемой просадочной толщи начинается с нижних слоёв, которая, проседая, формирует разрыв сплошности обводненной толщи и дискретно по частям
передает силы отрицательного трения на боковую поверхность ствола сваи. Далее, после сформирования разрыва сплошности, происходит падение толщи обводненного грунта высотой Csat
hsat = tiG' . Таким образом, силы отрицательного трения на боковую поверхность ствола сваи можно определить как Pn = Uxfsatxhsat. Если предположить, что после деформации падения грунт частично уплотняется и стабилизируется, то в процессе обводнения формируется новая многослойная толща частично уплотненного грунта с толщиной отдельных слоёв, пропорциональных удельному сцеплениюС^:
(h=f(Csat,ysat). Так как масса верхних слоёв постепенно уменьшается, то в процессе формирования «провальных» просадок падения проявляется арочный эффект, со стрелой арки, пролетом арки, равным расстоянию между осями свай. Расчетная схема арочного свода принимается как двухшарнирнаяарка, нагруженная равномерно распределенной нагрузкой.
Форма арки (круговая, сегментная или параболическая) зависит от физико-механических характеристик рабочего слоя грунта и расстояния между осями свай.Учитывая, что жесткостные параметры сваи в месте контакта арочного свода со сваей и грунта свода более чем в 10 раз выше жесткостных параметров замоченного грунта, характер сопряжения грунта со стволом свай соответствует шарнирному).При этом силы трения грунта на боковую поверхность ствола сваи, проявляющиеся в виде «провальных» просадок с формированием «арочных» сводов, становятся минимальными при I> 1.
Напряженно-деформированное состояние массива грунта в основании нижних концов свай и на боковой поверхности ствола сваи определится по классическим выражениям:
Распор-сосредоточенное давление грунта на сваю в месте условного контакта арочного свода:
H = 0,125q.l2.f.K;(vR) (6)
Момент: М = q*l2(1-K) х0,1250 по оси свода.(7) Поперечная сила: Q = 0,500xqxl вертикальная реакция на опоре;(8) Q — распределенная вертикальная нагрузка от давления грунта вышележащих слоёв.
CiflT
/ - стрела подъёма арки; f = h = К и".
q одо
Напряжение на контакте грунта со стволом сваи av=A = i .
2Xt 2.\t
Для одиночных свай: о,гц = Аа +o-g; ovqo = c-Aoq ¿rn-t;.
an
Для куста свай: п-к =(Ау^К+40хпк) С (9)
2№
Для свайного поля: а:„ =(^УФn+4Q^nk) с
Замачивание снизу вверх (подтопление территории) при неполной прорезке просадочной толщи.В данной ситуации проявление просадочных деформаций приводит к потере опорного слоя нижнего конца (острие-забивной или пято-набивной и буроинъекционной) сваи. Тогда вся нагрузка на сваю воспринимается силами трения грунта на боковую поверхность ствола сваи, т.е. несущая способность сваи запишется вместо Fd = Ro + Rf выражением Fd = Rf....( ) и будет зависеть от скорости подтопления. При этом потеря несущего слоя под пятой или остриём сваи приводит к перераспределению усилий на боковой поверхности ствола и Rf с учётом скорости обводнения запишется выражением:
Rf = Rf + Ro = Rf + RхAи для того, чтобы свая не провалилась в работу включается резерв несущей способности сваи, который включает следующее обстоятельство. Согласно требованиям нормативных документов (ДБН В.2.1-10-2009.Змша 1), силы трения на боковой поверхности сваи по таблице Н.2.2 «f» принимаются для случая полного обводнения грунта, окружающего сваю, т.е. при Il = Ilsatafi = fsat. Но до начала подтопления свая работает с сопротивлением сил трения на боковую поверхность f при показателе текучести, соответствующем природной влажности.
За счет этого фактора получается резерв несущей способности сваи по боковой
ь
1"
поверхности ЛЛ/равный: АЯГ = ЯГе - Ям = и а (fi -
где: Я/е- сопротивление сваи по боковой поверхности при естественной влажности; Яр^ - сопротивление сваи по боковой поверхности при обводнении Ж = / - силы сопротивления грунта на боковую поверхность для забивных свай и свай оболочек при естественной влажности;
/1531 - тоже самое при обводнении грунта.
Условие работоспособности сваи запишется выражением:
Я0 <Щт.е.ЯхА < 11; - (10)
В предположении, что обводнение лёссового грунта происходит с постоянной скоростью, силы трения грунта на боковую поверхность ствола сваи будут снижаться и несущая способность сваи (реализуя «резерв»)достигнет значений АЯ<Я0, что заставит сваю (деформироваться) перемещаться вниз.
В связи с этим несущая способность сваи будет состоять из сопротивления сил трения на боковой поверхности, которая также снижается во времени на АЯ/ и может быть выражена зависимостью:
= Я- АЯл = Я/ - Я/ши....() (11)
где: Яр - сопротивление на боковой поверхности сваи:1.несущая способность сваи изменяющаяся во времени Р;
Я/ - сопротивление на боковой поверхности сваи при естественной влажности (для данной ситуации величина постоянная Я/
А Я/1 - снижение сил сопротивления грунта на боковую поверхность сваи за счет обводнения территории за время ^о которой оседание сваи увеличивается, и при Яр ^ 0 свая или куст свай «теряет» вторую составляющую несущей способности сваи Я/=0 и в работу включается ростверк. В этом случае подошва ростверка «догоняет» просевший (продеформированный) грунт в межсвайном пространстве, который теперь включается в работу и может быть вычислена по формуле:
И= Я* А (12)
где: Я - расчетное сопротивление грунта в межсвайном пространстве (с учетом разрыхления);
А— площадь подошвы ростверка межсвайного пространства, которая определяется выражением:
А = А-п*ё2; (13)
п - количество свай в кусте (в свайном поле); - диаметр ствола сваи (призматической).
ш
В этом случае контактное напряжение по подошве ростверка определяется .а = А . Условие прочности грунта межсвайного пространства запишется выражением а < Я, где Я - то же расчетное сопротивление грунта межсвайного пространства, определяемое согласно формуле Е.1 ДБН В.2.1-10-2009 с учётом
замоченногопродеформированногосостояния грунта.
В случае невыполнения условия прочности а < Я формируется и проявляется запредельное напряженное и деформированное состояние грунта с полным проявлением пластических деформаций. Данное предположение подтверждается непредвиденными деформациями свайных фундаментов незавершенного строительства большого промышленного комплекса и жилого массива в г. Волгодонск (стройка №2 СССР) в конце 1970 - начале 1980-х годов. В связи с непредвиденным изменением гидрометеорологических условий произошел подъём уровня воды в Цимлянском водохранилище, инфильтрация воды из водохранилища в лёссовую толщу, подтопление застраиваемой и уже частично застроенной территории с просадкой нижних просадочных слоёв лёссового грунта, который служил опорным слоем пяты буронабивных свай с уширенной пятой (Проектной организацией под большой промышленный комплекс были запроектированы и выполнены в натуре свайные фундаменты из буронабивных
свай с уширением без полной прорезкипросадочной толщи). В результате проявившейся просадки нижних слоёв просадочной толщи, потери опорного слоя пяты буронабивных свай, произошли запредельные деформации свайных фундаментов строящихся и уже построенных зданий комплекса, что привело к колоссальному материальному и моральному ущербу.
В результате проявившихся просадочных деформаций лёссовой толщи произошло изменение напряженно-деформированного состояния массива грунта под нижним концом свай и на боковой поверхности (вся передаваемая нагрузка на сваю от здания воспринималась теперь только силами трения на боковую поверхность ствола сваи, которые в связи с подтоплением снижались со временем, что привело к проявлению запредельных деформаций оснований, фундаментов и зданий в целом.
Заслуживают внимания и дальнейшего изучения отдельные вопросы изменения напряженно-деформированного состояния основания свайных фундаментов из буронабивных свай на просадочных грунтах большой мощности (28^32м), длиной свай 28м,сечением ствола 600мм с уширением. Причиной изменения напряженно-деформированного состояния основания пяты буронабивных свай явилась допущенная неточность при выполнении инженерно-геологических изысканий. По данным отчета об инженерно-геологических изысканиях, площадка сложена лёссовыми супесями и суглинками, залегающими послойно, просадочными при замачивании водой (7 инженерно-геологических элементов). Слой ИГЭ-8 «оказался непросадочным» в диапазоне приложенных давлений при испытании. Подстилается слой ИГЭ-8 песками мелкими средней плотности от влажных до водонасыщенных ниже УГВ.
По данному отчету был выполнен проект и построенный двухсекционный (сложный в плане конфигурации) высотный жилой дом с паркингом. В процессе эксплуатации произошло обильное замачивание просадочной толщи сверху вниз с обводнением опорного для пяты сваи-слоя ИГЭ-8. В результате обводнения слоя ИГЭ-8 - «непросадочный слой ИГЭ-8» просел и пята сваи потеряла опору (на участках полного обводнения). Проявились неравномерные осадки свай, несущая способность сваи состояла в отдельных случаях только из сил трения грунта на боковую поверхность. В других случаях добавлялось сопротивление под пятой сваи. В итоге проявилосьперераспределение усилий в плоскости условного фундамента и проявился неравномерный крен сплошного плитного ростверка в сторону полного обводнения ИГЭ-8, с соответствующим креном здания и раскрытием трещин в несущих и ограждающих конструкциях дома и паркинга. Как известно, моделирование напряженного состояния массива грунта под нижними концами свай и на боковой поверхности ствола выполняется с использованием решения Р. Миндлина [13]. Но в данной ситуации вертикальная сосредоточенная нагрузка на массив грунта (под пятой или острием свай) не передается (опорный слой просел), а передается только вертикальная нагрузка через боковую поверхность
ствола сваи на окружающий сваю массив грунта. Интенсивность передаваемой нагрузки g определится по формуле:
2Л
д = и'В:(кПа) (14)
Получаемые громоздкие выражения напряжений и деформаций в массиве грунта [13] по имеющимся классическим решениям Р. Миндлина можно упростить, используя дискретную форму передачи и восприятия нагрузки, приложенной внутри упругого пространства. Для этого прилагается сосредоточенная нагрузка на глубине, равной отметке острия (нижнего конца) сваи, считая данную отметку равной отметке поверхности массива грунта плюс равномерно распределенная нагрузка g— от массива грунта толщиной, равной длине сваи, приложенной в уровне нижнего конца сваи. Таким образом, данная задача разбивается на две: решение Буссинеска и решение А.Лява. Тогда, например, вертикальные напряжения oz записываются выражением:
Здж* г* Г* tffdni
3 ' " 1 ПО * 1
ая- г |
0г = + 21? и "чгел-СР + Сг-гО' + я1]* (15)
при прямоугольной площади передачи нагрузки, а для круговой площади передачи сплошной равномерно-распределенной нагрузки выражение для напряженного состояния массива грунта под нижним концом сваи примет вид:
о2 = + (16)
где: Р - сосредоточенная нагрузка, передаваемая сваей (кН);
г - глубина расположения точки, в которой определяется напряжение от острия (нижнего конца сваи);
р - расстояние от вертикальной оси сваи до точки, в которой определяется напряжение;
0<ф<2п -угол-предел интегрирования (для круговой плоскости);
а,Ь - размеры в плане прямоугольной площади, через которую передается распределенная нагрузка (пределы интегрирования);
§- интенсивность равномерно распределённой нагрузки g = ух1св; g = ухг;
у - удельный вес грунтового массива;
Я - пространственная координата точки в которой определяется напряжение;
Я = \ — для прямоугольных координат;
+ у: + 23 — 2Ьрса*<р
Я = \ ' - для полярных координат круговой площади.
Учитывая, что равномерно распределенная нагрузка от собственного веса грунта в массиве неограниченных размеров в плане остается постоянной^ = У" ^ т + - то формулы (15) и (16), напряженное состояние вокруг и в основании свай запишется выражением:
а2=+Г&о* + Л (17)
С учетом разгружающей нагрузки от сил сопротивления трению грунта на боковой поверхности свай Я/, напряжение в массиве грунта окружающего сваю примет вид:
о2 = (18)
что подтверждается экспериментальными данными, выполненными предшествующими исследованиями.
Выводы. На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований формирования напряженного состояния массива грунта в плоскости и ниже острия и на боковой поверхности сваи и возможной эксплуатации свайных фундаментов в условиях просадочных грунтов установлено, что замачивание лессовой толщи, служащей основанием свайных фундаментов, может происходить и происходит по двум направлениям: 1) замачивание сверху и проявление при этом всех просадочных процессов, охваченных действующими нормативными документами; 2) замачивание снизу (подтопление территории) с проявлением всех возможных просадочных процессов лессовой толщи с эксплуатируемыми в ней (лессовой толще) свайных фундаментов, неохваченных нормативными документами, требует нормативного подтверждения работы свайных фундаментов на подтапливаемых территориях.
В результате исследований процессов проявления просадочных деформаций лессовой толщи установлено, что при замачивании лессовой просадочной толщи сверху вниз просадочные деформации нарастают со временем инфильтрации воды сверху вниз. При этом нагрузка на нижние просадочные слои грунта увеличивается и таким образом проявляется полная возможная просадка толщи с передачей сил отрицательного трения на боковую поверхность свай. В этом варианте замачивания толщи «сверху вниз» напряженное состояние массива грунта вокруг свай может быть записано выражением:
Здк3 г& Г*._дддх_
2лг I. (кПа)
и, соответственно, составляющие напряжений по 2,У,Х, и деформации w,v,u\1Ъ\
где: г = N,1 Р„— суммарная нагрузка от сваи, приложенная внутри упругого полупространства;
§- давление от собственного веса грунта на глубине г=(1св - ё).
При подтоплении территории (замачивание снизу вверх) силы отрицательного трения Рп проявляются дискретно в зависимости от скорости подтопления и проявления дискретного «падения» обводненной толщи.
В этом варианте напряженное состояние (массива) основания свайного фундамента выражается через убывающую функцию = Я-Я/ш^и с учетом потери опорного слоя под нижним концом сваи запишется выражением: а: =
___| ■■ | ■■ _
(кПа),
з с]г~г г- ¿т
как сплошной равномерно
распределенной нагрузки от собственного веса грунта д = у z и эквивалентного давления,
соответствующего среднему давлению под нижним концом сваи 1 (кПа).
Здесь:А',/ - нагрузка на сваю; - площадь поперечного сечения ствола сваи, а при
полной потере несущей способности сваи, когда свайный фундамент ложится на «живот» ростверка, напряжение в массиве определится от условно-сосредоточенных сил, получаемых
произведением площади межеванного пространства на среднее давление .
Учитывая, что равномернораспределенная нагрузка «q» равна сумме давления грунта на заданной глубине grp = yxz плюс сопротивление грунта под нижним концом сваи gp, т.е.
= gp + gR, на порядок превышает расчетное сопротивление грунта Яна заданной глубине Z, равной длине сваи, то напряжение массива грунта в основании свай во много раз превышает расчетное сопротивление грунта в плоскости нижних концов свай массив грунта работает в запредельном состоянии, что создает чрезвычайную аварийную ситуацию.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. СНиП11.Б.5-67* «Свайные фундаменты. Нормы проектирования». - М. : Стройиздат, 1971. - 20 с.
2. СНиП11.17-77* «Свайные фундаменты. Нормы проектирования».-М. : Стройиздат, 1978. - 45 с.
3. СНиП2.02.03-85 «Свайные фундаменты». -М. : Госстрой СССР, 1986. - 44 с.
4. ДБН В.2.1-10-2009. Змша 1 «Основи та фундаменти споруд. Основш положення по проектуванню». - К. :Мщегюнбуд Украши, 2011. - 55 с.
5. Крутов В.И. Основания и фундаменты на просадочных грунтах. -К. : Бущвельник,1982. - 222 с.
6. Мустафаев А.А. Основы механики просадочных грунтов. -М. : Стройиздат, 1978. -263 с.
7. Моторный Н., Саенко Ю., Моторный А.Распределение напряжений в массиве грунта от собственного веса грунта, передаваемого по ограниченной горизонтальной площади:зб.наук. пр. «Теоретичш основи бущвництва». -Warsawa, 2010. -№18. -С.393-398.
8. МоторныйН. А. Потенциальная неподтопляемость территорий и ее влияние на проектирование оснований и фундаментов на просадочных грунтах среднего Приднепровья / Вюник Придшпр. держ. акад. бущвниц. та архггект.- Д. : ПДАБА, 2001. -№6.- С. 35-42.
9. Улицкий Н.Н., Рывкин С.А., Самолетов С.В. и др. «Железобетонные конструкции» (расчет и конструирование). -К. :Бущвельник,1973. -С.869-895.
10. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83). -М. : Стройиздат, 1978. - 415 с.
11. Научно-технический отчет об инженерно-геологических работах для определения перечня мероприятий по ликвидации деформаций просадочности и повреждения конструкций здания по ул. Симферопольская, 11 в г.Днепропетровске №8103/83. -Днепропетровск, 2010. Мин. регион развития и строительства Украины. ДнепроГИИНТИЗ, 114 с. с приложениями на 11 листах.
12. Отчет по полевым испытаниям опытных буронабивных свай статическими нагрузками на площадке строительства жилого дома по ул. Симферопольской в г. Днепропетровске. ОКО ПИИ УСПЕЦСТРОЙПРОЕКТ. - Д., 2001.-25с. с приложениями на 10 листах.
13. Флорин В.А.Основы механики грунтов. В 2 томах. -Т.1.Г.С.И.-Л-М., 1959. -С. 120-130.
SUMMARY
To analyze the stress-strain state the basis of the pile foundation in loess subsiding soils, it is needed to: consider the following options for the formation of the stressed state of the soil at the bottom and around the trunk piles; depending on the direction of the soaking subsiding strata:
1. Soak toward the top to down;
2.Soaking loess stratum in direction of bottom-up (flooding of the territory).
3.Influence of the anisotropy and clogging the pores.
4.Soaknd in direction of bottom up with incomplete cutting by piles the subsiding strata. By Analyzing these cases soaking subsiding strata has been established that the resulting state of stress of the soil mass next to pile shaft as a result of looming drawdown calculated by the formula:
a y = =
-| 2
, rv
y h • tg2(45-%) - 2Csat ■ tg(45--*-) +
ULft • htg2 (45 - -)
In flooding areas (soak upwards) the negative friction force transmission to the lateral surface of the pile shaft occurs at a rate of groundwater level rise that virtually no significant impact on the development of the drawdown deformation. Most likely, when the level of groundwater is raised the accumulation "microdeformetion" occurs and progressive manifestation drawdown deformation is developed that transmit power of negative friction on the lateral surface of the pile shaft. Since the manifestations of drawdown deformations occur at the speed of recovery of groundwater level (V < 0,41 m/day, then this process can be compared to the process of consolidation of loess (watered) from the soil load of its own weight of soil Pz. In this case we can not speak about drawdown of the flooded thickness, but about of the deformation of the weak saturated soils. Stressed state of the soil under the lower end of the pile recorded well-known expression:
2 N Z N t a =-- + a =-- + to
°,gZ Aa • g ag,y Aa • g g zg
With incomplete cutting by piles of the subsiding thickness, resulting in soaking upward the drawdown of the lower layers, occurs with the result that the backing layer subsides of the lower end of the pile. Pile starts to work in a different design scheme: First resistance is lost at the tip (at heel) of the pile, and then because of the gradual subsidence soaking thickness, the resistance to lateral surface is reduced, which tends to 0 Pf min. In this case, grillage is included and in to the work and bearing capacity of pile foundation will be equal the carrying capacity of the grillage (Anette- grillage area without the square of the piles).In this situation, the vertical load on piles attached inside the elastic space is transmitted only through the side surface. Given that uniformly - distributed load "g" is equal to the amount of earth pressure at a given depth Z-gzp =y-Z plus resistance of the soil under the lower end of the pile in times exceeds the design soil resistance R at a given depth Z = l the thickness of soil works in behind the limit state. The highly emergency case is created, as evidenced in the article example for the construction and operation of buildings on subsiding soils.
REFERENCES
1. SNyP II.B.5-67* «Svaynwe fundamentu. Normu proektyrovanyya». - M. : Stroyyzdat, 1971. - 20 s.
2. SNyP II.17-77* «Svaynue fundamentu. Normu proektyrovanyya». - M. : Stroyyzdat, 1978. -
45 s.
3. SNyP 2.02.03-85 «Svaynue fundamentu». - M. : Hosstroy SSSR, 1986. - 44 s.
4. DBN V.2.1-10-2009. Zmina 1 «Osnovy ta fundamenty sporud. Osnovni polozhennya po proektuvannyu». - K. : Minrehionbud Ukrayiny, 2011. - 55 s.
5. Krutov V. Y. Osnovanyya y fundamentbi na prosadochnwkh hruntakh. - K. : Budivel'nyk,1982. - 222 s.
6. Mustafaev A. A. Osnovu mekhanyky prosadochnukh hruntov. - M. : Stroyyzdat, 1978. - 263
s.
7. Motornuy N., Saenko Yu., Motornuy A. Raspredelenye napryazhenyy v massyve hrunta ot sobstvennoho vesa hrunta, peredavaemoho po ohranychennoy horyzontal'noy ploshchady: zb. nauk. pr. «Teoretychni osnovy budivnytstva». - Warsawa, 2010. - № 18. - S. 393 - 398.
8. Motornuy N. A. Potentsyal'naya nepodtoplyaemost' terrytoryy y ee vlyyanye na proektyrovanye osnovanyy y fundamentov na prosadochnwkh hruntakh sredneho Prydneprov'ya / Visnyk Prydnipr. derzh. akad. budivnyts. ta arkhitekt. - D. : PDABA, 2001. - № 6. - S. 35 - 42.
9. Ulytskyy N. N., Ruvkyn S. A., Samoletov S. V. y dr. «Zhelezobetonnue konstruktsyy» (raschet y konstruyrovanye). - K. :Budivel'nyk,1973. - S. 869 - 895.
10. Posobye po proektyrovanyyu osnovanyy zdanyy y sooruzhenyy (k SNyP 2.02.01-83). - M. : Stroyyzdat, 1978. - 415 s.
11. КаиоЬпо-1екЬпуоЬе8куу оЮЬй оЬ уп2Ьепегпо-Ьео1оЬусЬе8кукЬ гаЬ^акЬ dlya opredelenyya регесЬпуа шегоргууа1уу ро 1ykvydatsyy deformatsyy prosadochnosty у povrezhdenyya ко^^^уу zdanyya ро и1. Syшferopo1'skaya, 11 V И. Dnepropetrovske № 8103/83. - Dnepropetrovsk, 2010. Муп. rehyon razvytyya у stroyte1'stva Ukraynu. DneproHYYNTYZ, 114 s. s pry1ozhenyyaшy па 11 1ystakh.
12. Otchet po po1evuш ysputanyyam opыtnыkh ЬuronaЬyvnыkh svay statycheskyшy паЬ1^кашу па p1oshchadke stroyte1'stva zhy1oho doma po u1. Syшferopo1'skoy v Ь. Dnepropetrovske. ОКО PYY USPETsSTROYPROEKT. - D., 2001. - 25 s. s pry1ozhenyyaшy па 10 ^акЬ.
13. Погуп V. А. Osnovы шекЬапуку hruntov. V 2 toшakh. - T.1. H.S.Y. - Ь-М., 1959. - S. 120 - 130.
УДК 625.717.3: 624.042.5
РАСЧЕТ АЭРОДРОМНЫХ ПЛИТ НА ТЕМПЕРАТУРНО-КЛИМАТИЧЕСКУЮ
НАГРУЗКУ
Ключевые слова:аэродромные плиты, упругое основание, температура, температурно-климатические воздействия, расчет плит, армирование плит
Постановка проблемы. Известно,что температурно-климатические воздействия могут оказывать существенное влияниена напряженно-деформируемое состояние железобетонных конструкций. При этом это влияние тем существенней, чем существенней температурный перепад по толщине конструкции. Ранее было рассчитано распределение температур по толщине аэродромной плиты при двух экстремальных и трех промежуточных значениях температур воздуха\1]. Учитывая изменения суточных температур, можно говорить об имеющем место нестационарном температурном режиме и соответствующем ему температурномполt по толщине бетона конструкции. В связи с этим ставится вопрос исследования закономерностей изменения напряженно-деформируемого состояния аэродромных плит и их армирования в зависимости от изменения температур по толщине этих плит.
Анализ публикаций.В работе \1], которая является предшествующей стадией выполняемых исследований, в полной мере изложена методика расчета температурных полей по толщине аэродромных плит в зависимости от максимальных положительных, отрицательных и промежуточных температур воздуха.
Цель и задача исследований состоялЬ в расчете аэродромных плитна температурно-климатические воздействия.
Изложение материала.Для реализации расчета аэродромных плит на температурно-климатические воздействия был выбранпрограммный комплекс ПК ЛИРА \2], который позволяет определять температурные усилия по толщине плиты в зависимости от разницы температур на наружной и внутренней поверхности бетона.
Поскольку аэродромныеплиты взлетно-посадочной полосы Харьковского международного аэропортаразмерами 7,5 * 7,5м опираются наподстилающие слои\1, рис.1], то расчетная схема этих плит представляет собой плиту на упругом основании. Для расчета таких плит важно знать как характеристику упругого основания,так иобщий эквивалентный коэффициент постели , которые могут быть определены исходя из характеристик каждого из
подстилающих слоев.
Определение коэффициента постели каждого из слоев основания производится исходя из рассмотрения перемещений жесткого фундамента при равномерной передачt давления на основание по формуле \3, с.24]:
А. Ю. Конопляник, к. т. н., доц.,Е. Д. Семенов, студ.
k
oE
(1)
где: ш - безразмерный коэффициент; Е - модуль деформаций, МПа; ^ - коэффициент Пуассона; Б - площадь подошвы фундамента, м2.
