CC BY
156
УДК 624.131
АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОСАДОК ФУНДАМЕНТОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ
В.И Соломин., В.В, Гаврилюк
Соломин Виталий Иванович раврилюк Василий Василиевич Челябинск, профессор, каф. стр. Челябинск, соискатель каф. стр. механики ЮУрГУ, д.т.н. механики ЮУрГУ
Возведение здания сопровождается его осадкой. Большие осадки опасны тем, что они, как правило, неравномерны, вызывают крены зданий, приводят к недопустимым деформациям конструкций. Поэтому величины осадок и их неравномерность ограничиваются Нормами.
Первым нормативным документом, устанавливающим порядок определения осадок в нашей стране, был НиТУ 6-48. При построении модели основания были использованы известные решения для линейно упругого изотропного полупространства, загруженного нагрузкой, равномерно распределенной по площади круга или прямоугольника. Давление от фундамента ограничено величиной «расчетного сопротивления», то есть давления, при котором в основании не могли развиваться большие пластические зоны. Введено понятие «глубины сжимаемой толщи», за пределами которой деформации не учитывались. Осадка рассчитывалась от «дополнительного давления» - давления, передаваемого фундаментом, за вычетом давления, создаваемого собственным весом грунта, вынутого при разработке котлована.
Вычисление осадки основания производилось методом послойного суммирования по формуле
Д-2^, (!)
« Е,
где т - число слоев грунта, на которые разбита сжимаемая толща; о,. - среднее значение вертикального напряжения в слое на оси, проходящей через центр фундамента, возникающее от дополнительного давления; И, - толщина /-го слоя; Е, -модуль деформации слоя; сжимаемая толща ог-
Рассмотрены методы расчета осадок фундаментов мелкого заложения. Выполнен анализ моделей, положенных в основу отечественных нормативных документов, отмечены достоинства и недостатки этих моделей, намечены пути их усовершенствования.
раничивалась глубиной И , где дополнительное давление от сооружения составляет 0,2 от бытового давления, то есть от веса грунта.
Влияние соседних сооружений учитывается «методом угловых точек», основанном на решениях теории упругости, упомянутых выше.
Следующим этапом совершенствования расчетной схемы основания стали НиТУ 127-55, заменившие НиТУ 6-48. Формула осадки приняла вид
Р,
Д = 5>Д-
(2)
где т, ст,, /г, и Е1 - то же, что в формуле (1); Р, - безразмерный коэффициент, определяемый расчетом, либо принимаемый: для песков 0,76, для супесей 0,72, для суглинков 0,57, для глин
0,43.
В формуле (2) сохранена модель линейноупругого изотропного полупространства. Она лишь дополнена коэффициентом (3, введение которого имело целью учесть влияние горизонтальных напряжений, вызывающих стеснение боковых деформаций. Величина этого коэффициента получена, исходя из предположения, что на оси г, проходящей через центр фундамента, горизонтальные напряжения равны между собой
<*г=а.
а соответствующие перемещения
отсутствуют ех =£у =0 р = 1-
2ц2
1-й
Отсюда следует, что введенный коэффициент р зависит только от коэффициента поперечной деформации ц.
Методика определения нижней границы сжимаемой толщи осталась прежней (1). Позже, с введением в действие СНиП П-Б.1-62, было предложено расчет осадок производить по формуле
(3)
где приняты обозначения: р, и п , заменившие ст, и т. Остальные обозначения соответствуют приведенным в формуле (1), за исключением коэф-
Соломин В.И., Гаврилюк В.В.
Анализ методов расчета осадок фундаментов мелкого заложения
фициента р, принятого равным 0,8 для всех видов грунтов.
Нижняя граница сжимаемой толщи определяется так же, как в формуле (1).
Дальнейшим шагом в совершенствовании формул осадок явился СНиП Н-15-74, в котором предложено две расчетные схемы: линейно деформируемое полупространство (метод послойного суммирования) и линейно упругий изотропный слой.
Линейно деформируемый слой рекомендуется применять для фундаментов с шириной подошвы (диаметром) 6>10м, а также, если в пределах сжимаемой толщи, определяемой по формуле послойного суммирования (3), залегает грунт с модулем деформации 1000 кг/см“.
Введением по предложению К. Е. Егорова слоя, как модели основания, была создана возможность расчета осадок сооружений, имеющих большие размеры в плане.
Осадка основания определяется по формуле
г=1
(4)
где р ~ среднее давление под подошвой фундамента; Ь - ширина прямоугольного или диаметр круглого фундамента; М - табличный коэффициент; п - число слоев в пределах расчетной толщи слоя Я; к1 и км - коэффициенты, определяемые по таблицам.
Толщина слоя Н принимается до кровли грунта с модулем деформации Е > 1000 кгс/см2, а при ширине (диаметре) фундамента Ь > 10 м и среднем значении модуля деформации грунтов основания Е > 100 кгс/см2, вычисляется по формуле
я=я0+/-а,
(5)
‘ расч * О
где #0 и ? - принимаются соответственно равными: для оснований, сложенных пылевато-
глинистыми грунтами - 9 м и 0,15; сложенных песчаными грунтами - 6 м и 0,1.
СНиП 2.02.01-83* принимает формулу (3), заменив лишь в ней буквенные обозначения " о И
,=] Ei
Изменения внесены в формулу (4) для расчета осадки слоя. Введен дополнительный коэффициент кт= 1... 1,5 в зависимости от ширины фундамента и модуля деформации слоя. Коэффициент кс заменил коэффициент М, при тех же числовых значениях. Формула приобрела вид
рЬкс^к,-к,_ 1 К ^ Е, '
Внесены изменения в формулу (5). Введен дополнительный коэффициент кр, зависящий от
среднего давления под подошвой фундамента {кр = 0,8... 1,2)
Н = (Н0+ц1Ь)-кр.
Значительные преобразования подхода к расчету осадки основания произошли с принятием СП 50-101-2004.
Вертикальные перемещения основания теперь предлагается определять по формуле
*=рі-
-+РІ-
(6)
где , р, п и Е[ - те же, что в формуле (4); а - среднее значение нормального напряжения от внешней нагрузки в /-м слое грунта по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента; с - среднее значение напряжения в /-м слое грунта по той же вертикали от собственного веса выбранного при отрывке котлована грунта; ЕЬ1 - модуль деформации /-го слоя
грунта по ветви вторичного нагружения.
При этом при расчете осадки фундаментов, возводимых в котлованах глубиной менее 5 м, допускается в формуле (6) не учитывать второе слагаемое.
Если среднее давление под подошвой фундамента менее давления от собственного веса выбранного при отрывке котлована грунта (р < <70), осадку фундамента определяют по формуле
где все обозначения такие как в формуле (6). Нижнюю границу сжимаемой толщи основания принимают на глубине 2 = Нс, по условию
где к = 0,2 при Ь < 5м; к = 0,5 при Ь > 20 м ; при 5 < Ь < 20 м к определяют интерполяцией. При этом глубина сжимаемой толщи не должна быть меньше Ь/2, если й<10 м и (4 + 0,1Ь) при Ь > 10 м .
Для сравнения рассматривались квадратные в плане фундаменты с глубиной заложения 2,5 м., шириной подошвы от 2-х до 20 метров. Дополнительное давление по подошве фундамента р = 200 кПа не превышает расчетного сопротивления основания. Удельный вес грунта основания у = 20 кН/м3 , модуль деформации £ = 10 МПа.
Построены графики зависимости осадки от размеров фундамента (см. рисунок).
Серия «Строительство и архитектура», выпуск 5
65
Экспериментальные исследования
Ширина подошвы, м.
Зависимость осадки фундамента от ширины подошвы
Результаты аналогичного исследования опубликованы [2]. Анализ графиков показывает, что для фундаментов с шириной или радиусом подошвы менее 10 метров все модели дают близкие .результаты. Исключение составляют лишь осадки глинистого основания, вычисленные по НиТУ 127-55. В более поздних документах принимается р = 0,8 , по-видимому, с определенной перестраховкой, то есть все виды грунтов сведены к одной категории - крупнообломочные грунты или твердые глины Мо).
При ширине фундамента более 10 метров по предложению К.Е, Егорова в качестве модели основания применяют упругий слой и учитывается, что осадки песчаного и глинистого оснований различны. Многочисленные наблюдения за осадками таких зданий подтвердили адекватность формулы Егорова.
Однако, при составлении СП 50-101-2004 было принято целесообразным построить единую формулу (6), результаты расчетов по которой показаны сплошной кривой линией.
Глубина сжимаемой толщи по СП 50-101-2004 определяется с большим запасом чем по формуле Егорова, так как при ее составлении всегда принимается, что грунты основания -крупнообломочные или твердые глины.
Выводы
1. Существующие методы расчета осадок сооружений основаны на применении известных решений для линейно упругого изотропного полупространства и слоя. Построенные на основе этих решений модели и формулы для определения осадок включены в соответствующие СНиП. Многолетнее практическое применение этих формул может рассматриваться как доказательство адекватности вычисленных осадок осадкам реальных сооружений.
2. Формулы СНиП не дают ответов на многие вопросы, с которыми сталкиваются проектировщики: они не учитывают, что основание находится в объемном напряженном состоянии, не позволяют учесть неоднородность основания в плане и др.
Литература
1 Руководство по проектированию плитных фундаментов каркасных зданий и сооружений башенного типа/ НИИОСП им. Н.М. Герсе-ванова. - М., Стройиздат, 1984.
2. Геотехника: Актуальные теоретические и практические работы. Научное издание. Межвузовский тематический сборник трудов. СПб., 2006.
