RESEARCH OF THE “FLOATING” BASE METHOD FOR SEDIMENTATION ON THE MODEL OF THE FOUNDATION PLATE

Full Text

При определении осадки фундаментов важную роль играет величина слоя грунта, формирующая осадку. Этот слой получил название сжимаемая толща. При этом сжимаемая толща грунта имеет две границы: одну четкую - это подошва фундамента и другую «размытую», нахождение которой представляет известные трудности. Теоретически, нижняя граница сжимаемой толщи находится на той глубине, где отсутствует давление на нижележащие слои грунта от сооружения, которое называется дополнительным давлением. В существующих методах расчета осадок фундаментов сжимаемая толща задаётся заранее, например: • в методе послойного суммирования назначается глубина, ниже которой не учитывается влияние давления от сооружения; • в методе эквивалентного слоя мощность сжимаемой толщи принята равной двойному значению эквивалентного слоя, который напрямую зависит от размеров фундамента; • в методе одномерного компрессионного сжатия предлагается за мощность сжимаемой толщи принимать расстояние до несжимаемого слоя (скалы); • в методе линейно-деформируемого слоя конечной толщины мощность сжимаемого слоя назначается заранее. При этом в методе компрессионного сжатия грунтов предполагается расположение скалы на небольшой глубине; тогда распространение напряжений принимается равномерным по высоте сжимаемой толщи. Следует отметить, что во всех методах величина осадки определяется как произведение площади эпюры уплотняющего давления и механической характеристики грунта, например: S = P·h·mν , где P·h - площадь эпюры уплотняющего давления. Если предположить, что «скала» удалена от поверхности приложения нагрузки на такое расстояние, где давление от сооружения на «скалу» ощущаться не будет, т. е. обнулится, тогда это расстояние можно называть сжимающей толщей. Распределение напряжения по глубине сжимаемой толщи примет вид Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 1 10 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ треугольника, и формула осадки запишется по-другому, а именно: S = 1/2·P·h·mν. Вышеописанное состояние в грунте может возникнуть в том случае, если давление от сооружения будет уравновешено весом столба грунта, т. е. P = γ·z, - это и будет выражать принцип «плавающего» фундамента, откуда легко находится граница, ниже которой не будет осадки грунтов. По результатам последних исследований [1-5] сделан вывод о том, что критерий установления глубины сжимаемой толщи принят условно и не отражает фактического распространения деформации грунта по глубине основания. В результате этого при расчете получают завышенные глубины сжимаемой толщи, а абсолютные значения замеренных перемещений грунта по глубине основания оказываются меньше расчетных. Такого же мнения придерживаются и авторы статьи, в качестве альтернативы предлагая авторскую методику определения глубины сжимаемой толщи и расчета осадки фундамента, в основе которой лежит применение принципа «плавающего фундамента», когда для определения мощности сжимаемого грунта принято условие равенства давления от сооружения величине природного давления. Для утверждения возможности применения концепции «плавающего фундамента» ниже приводятся мнения Н.А. Цытовича и С.Г. Кушнера [7, 8] о том, что общая осадка фундаментов мало зависит от их жесткости. Н.А. Цытович утверждает следующее: «жесткость фундамента практически не влияет на мощность сжимаемой толщи». По мнению С.Г. Кушнера, «по мере увеличения ширины плиты прирост глубины сжимаемой толщи становится практически мало зависящим от ширины плиты». В своей работе Н.А. Цытович пишет, что «величина активной зоны сжатия зависит от величины напряжений (вероятно уплотняющих), от уплотненности грунтов и т. д.». Об этом пишет и С.Г. Кушнер, отмечая, что «мощность сжимаемой толщи является одним из факторов, влияющих на осадку, и зависит от давления под подошвой фундамента и его распределения по глубине, от состояния и свойств грунта, от размеров приращения давления на основание по сравнению с природными». Ниже предлагается расчетная схема определения границы сжимаемой толщи (рис. 1), основанная на предположении [6, 7], что вес сооружения уравновешивается весом вынутого грунта. На горизонте а-а давление от сооружения будет равно весу сжатого грунта аbba и грунтовая толща ab будет испытывать сжатие от дополнительного давления P. Рис. 1. Схема к расчету величины сжимаемой толщи грунта На горизонте а-а можно записать равенство P = γ·z, отсюда z = P/γ, т. е. можно сказать, что z - это сжимаемая толща. После откопки котлована сжимаемая толща уменьшается (рис. 2), что записывается уравнением Hc = z - γ·d. Ниже границы а-а уплотняющее давление отсутствует, грунты не будут испытывать сжатия, это состояние можно записать как Р0 = 0, тогда при наличии глубины заложения эпюра уплотняющих давлений будет иметь форму треугольника. Принцип линейной деформируемости грунтов сохраняется, что учитывается использованием модуля общих деформаций. Рис. 2. Схема распределения уплотняющих давлений по глубине В. И. Исаев, А. В. Мальцев, А. А. Карпов 11 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 1 Далее используем формулу задачи компрессионного уплотнения, где осадка равна площади уплотняющего давления и обратно пропорциональна модулю деформации грунта. , где - площадь треугольника или площадь уплотняющего давления; Hc - активная зона сжатия, расстояние от подошвы фундамента до горизонта а-а; P - уплотняющее давление; E - модуль общей деформации грунтов основания. Вышеописанным приемом авторами решена задача перехода от более сложной задачи линейно-деформируемого полупространства к более простой задаче слоя конечной мощности. Ниже предлагается сравнительный количественный анализ расчетов по различным методикам на примерах № 2,3,4 из книги В.И. Мулина [10]. Исходя из решения задачи по методу послойного суммирования, мощность сжимаемой толщи равна 10,2 м при соотношении напряжений σzpi = 0,2σzgi. Осадка составила S = 2,5 см. Используя условия задачи согласно СП 22.13330.2016, а именно Р0 = P и σzpi = 0,5σzgi, получим мощность сжимаемой толщи 10,2 м, заметим, что это чистое совпадение. Осадка равна S = 7,0 см. Далее для этой же трубы рассмотрим расчет по методу эквивалентного слоя. Мощность эквивалентного слоя составит hэ = 39,5 м, средний коэффициент сжимаемости mv = 0,0019 см2/кг, осадка при Р0 = 63 кПа составит S = 4,7 см. Однако, если принять Р0 = Р, то осадка будет иметь значение S = 13,2 см. В примере № 4 использован метод линейно-деформированного слоя конечной толщины, согласно которому осадка составит S = 5,4 см, а мощность сжимаемой толщи 14,4 м. Для сравнения выполняем расчет, используя принцип «плавающего» фундамента. Мощность сжимаемой толщи составит 3,4 м, а осадка S = 1,3 см. Можно сожалеть о том, что В.И. Мулин не привел в своей работе данные фактических измерений осадки фундамента под трубу. Как видно из вышеприведенных расчетов, разброс результатов значительный, при этом, на наш взгляд, более близким к действительности является результат расчета по методу линейно-деформируемого полупространства с соотношением σzpi = 0,2σzgi. Кроме того, физически может испытывать деформации только слой с меньшим модулем деформации, что и доказывается в методе «плавающего» фундамента. Ниже приводятся сравнительные данные по расчету осадки плиты жилого 10-этажного дома, расположенного по адресу: г. Самара, ул. Братьев Коростелевых, д.117, сданного в эксплуатацию в 2010 г. Фундамент здания представляет собой плиту шириной 18,0 м. Грунтом основания служит суглинок мощностью 12,5 м, удельный вес 1,98 г/см3, модуль деформации Е = 10 МПа, глубина заложения подошвы фундамента 4,0 м. Фактическое давление под плитой составляет 176,0 кПа. Для сравнения использованы данные, полученные методом линейно-деформируемого слоя конечной толщины. Мощность сжимаемой толщи составляет Hc = 10,42 м. Осадка плиты определена по формуле , S = 6,86 см. По методу плавающего фундамента сжимаемая толща составляет Hc = 4,9 м. , S = 3,45 см. Сжимаемая толща, определенная по методу послойного суммирования, равна Hc =7,2 м, осадка вычисляется по формуле , S = 9,0 см. Фактически замеренная осадка плиты равна 3,23 см. Для подтверждения вышепредставленных теоретических выкладок авторов проведено лабораторное исследование по нахождению глубины под моделью фундаментной плиты, где грунтовая марка не получит осадку при заранее заданной нагрузке на плиту. Цель испытаний на модели фундаментной плиты заключается в том, что, при известном удельном весе грунта, назначается глубина сжимаемой толщи, далее находится соответствующая этой величине сжимаемой толщи нагрузка на плиту, отдельными ступенями доводится нагрузка на плиту до заранее заданного значения и проверяется отсутствие перемещений на заданной глубине, тем самым фиксируется граница сжимаемой толщи. Исследование сжимаемости грунтов основания под моделью фундаментной плиты проводится в лаборатории кафедры инженерной геологии, оснований и фундаментов Академии строительства и архитектуры Самарского государственного технического университета. Для исследования был использован испытательный стенд (круглый в плане грунтовый лоток) с реперной системой. Схема устройства Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 1 12 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ лотка приведена на рис. 3. Общий вид лотка представлен на рис. 4. Внутренний диаметр лотка - 440 мм, высота - 500 мм. В качестве модели плиты служит металлический диск толщиной 10 мм с отверстием для погружения грунтовой марки; диаметр диска равен 410 мм. В качестве грунта использовалась искусственная смесь мелкого песка и технического вазелина в соотношении 10:1 соответственно. Физико-механические показатели грунтовой смеси следующие: удельный вес - от 1,65 до 1,7 г/м3; влажность - 10 %; модуль деформации - переменный, от 4,0 до 7,0 МПа. Осадка плиты замерялась с помощью индикаторов часового типа с точностью до 0,01 мм. Индикаторы устанавливались на две противоположные стороны плиты. Деформация грунтового основания фиксировалась по центру плиты с помощью грунтовой марки. Мощность сжимаемого слоя назначалась в 30, 20, 10 и 5 см. При удельном весе грунта 16,5 - 17,5 кН/м3 соответственно определялась нагрузка на плиту по формуле N = P·A, где A - площадь плиты, А = 0,132 м2. Удельное давление на грунт рассчитывалось по формуле P = γ·zi , где γ - удельный вес грунта, кН/м3; zi - заданная глубина сжимаемой толщи. Эксперимент заключался в постановке глубинной марки на заранее заданной границе сжимаемой толщи, в загрузке лотка грунтом с послойным уплотнением, в определении методом режущего кольца удельного веса грунта, в приложении отдельными ступенями нагрузки на плиту. Каждую ступень выдерживали до полного затухания осадки плиты от предыдущей ступени. Осадка фиксировалась по показаниям индикаторов. Испытание плиты проводилось с трехкратным повторением при каждой назначенной мощности сжимаемой толщи. Результаты испытаний по усредненным показателям представлены в таблице. В представленных в таблице данных видно, что при нагрузке на плиту, равной весу взятого грунта P = γ·z на заданной глубине Нс (5,0; 10,0; 20,0; 30,0 см) (т. е. на границе сжимаемой толщи), деформации грунта отсутствуют. Анализируя полученные результаты, можно сделать общий вывод, что принцип «плавающего» фундамента при расчете осадки фундаментных плит полностью подтвержден проведенными испытаниями на модели плиты. Идея, положенная в основу нахождения нижней границы сжимаемой площади через фактическое давление и свойства грунтов, доказана полученными результатами. При этом зависимость мощности сжимаемой толщи от соотношения среднего давления и плотности универсальная, и в практических целях можно заранее назначить мощность сжимаемой толщи Рис. 3. Схема устройства испытательного стенда Рис. 4. Общий вид испытательного стенда В. И. Исаев, А. В. Мальцев, А. А. Карпов 13 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 1 Граница сжимаемой толщи, см Удельный вес грунта, кН/м3 Необходимое давление, кПа Необходимая нагрузка на плиту, кН Ступень нагрузки, кН Нагрузка, кН Средняя осадка плиты, мм Осадка марки, мм Испытание плиты при сжимаемой толще 5 см 5,0 16,5 0,825 0,11 0,08 0,08 0,15 0 0,08 0,16 0,40 0 0,08 0,24 0,76 0,03 0,08 0,32 1,43 0,15 Испытание плиты при сжимаемой толще 10 см 10,0 17,0 1,700 0,224 0,04 0,04 0,015 0 0,04 0,08 0,025 0 0,04 0,12 0,045 0 0,04 0,16 0,075 0 0,04 0,20 0,09 0 0,04 0,24 0,13 0 0,04 0,28 0,21 0,02 Испытание плиты при сжимаемой толще 20 см 20,0 16,9 3,38 0,446 0,04 0,04 0 0 0,04 0,08 0,02 0 0,04 0,12 0,035 0 0,04 0,16 0,045 0 0,04 0,20 0,06 0 0,04 0,24 0,07 0 0,04 0,28 0,09 0 0,04 0,32 0,11 0 0,04 0,36 0,13 0 0,04 0,40 0,15 0 0,04 0,44 0,21 0 0,04 0,48 0,23 0 0,04 0,52 0,28 0 Испытание плиты при сжимаемой толще 30 см 30,0 16,5 4,95 0,653 0,04 0,04 0,16 0 0,04 0,08 0,43 0 0,04 0,12 0,64 0 0,04 0,16 0,9 0 0,04 0,20 1,3 0 0,04 0,24 1,7 0 0,04 0,28 2,1 0 0,04 0,32 2,6 0 0,04 0,36 3,1 0 0,04 0,40 3,5 0 0,04 0,44 4,0 0 0,04 0,48 4,3 0 0,04 0,52 4,5 0 0,04 0,56 4,8 0 0,04 0,60 5,1 0 0,04 0,64 5,6 0 0,04 0,68 6,0 0,04 0,04 0,72 6,4 0,075 Результаты испытаний по усредненным показателям Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 1 14 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ и получить допускаемую нагрузку на плиту; кроме того, можно заранее ограничивать нагрузку на плиту по величине допустимой осадки и фактического модуля деформации. Вышеуказанная зависимость также удобна для проведения исследования работы плитных фундаментов в лабораторных условиях.

About the authors

Veniamin I. ISAEV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Andrey V. MALTSEV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Andrey A. KARPOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files