Расчет просадочных грунтовых массивов, армированных вертикальными элементами Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.138: 624.131.23

Илизар Т. Мирсаяпов, В.Р. Мустакимов

РАСЧЕТ ПРО САДОЧНЫХ ГРУНТОВЫХ МАССИВОВ, АРМИРОВАННЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

В настоящее время напряженно-деформированное состояние грунтовых массивов, армированных вертикальными элементами в просадочных породах при природной влажности (Ж<Ж ) и после замачивания (Ж>Ж/), изучено недостаточно. Отсутствует единая методика расчета.

Анализ экспериментальных и теоретических исследований [1, 2, 3] и исследований авторов [4, 5, 6] позволяет сформулировать применительно к оценке несущей способности и деформативности просадочного грунта, армированного вертикальными элементами, следующие предпосылки: напряженно-

деформированное состояние основания из просадочных грунтов, армированное вертикальными элементами, принципиально отличается от естественного основания и свайного основания; принимается гипотеза неразрывности просадочных деформаций; в условиях напряженного состояния при Ж< Ж/ просадочные грунты рассматриваются как упругая среда с закономерностями, описываемыми уравнениями линейного деформирования; принимается, что просадка грунта зависит от влажности Ж грунта, а степень влажности £ -от продолжительности t увлажнения; напряженно-деформированное состояние увлажненных лессовых грунтов описывается закономерностями теории линейной наследственной ползучести; процесс просадки представляется как одномерное течение элементов структуры грунта в пределах некоторой ограниченной области увлажнения; степень дисперсности минеральных

Рис. 1. Схема армирования просадочного грунта основания: а - разрез; б - план 1 - армоэлементы, 2 - фундамент, 3 - просадочный грунт, 4 - непросадочный грунт

частиц структуры грунта, приводящая к образованию пластических деформаций, зависит только от количества влаги и не зависит от изменения направления ее движения в грунте; массив просадочного грунта после его увлажнения выше Ж, рассматривается как сжимаемое упруговязкопластичное тело с квазиоднородной и квазиизотропной непрерывной структурой.

С учетом предпосылок приведенную прочность

ЕгргеС и приведенный модуль деформации Егргес1 армированного массива рассматриваем как функции:

К

гр.теії

--/1К, ^, Ар, 4* с,Ур ,Уаэ, р), (1)

Егр.„с = /2 (Егр,Еаэ, Агр, ^,Ж,ир,с,Кгр,У<в, Р,) (2)

Для изучения НДС, оценки несущей способности и деформативности армированного грунта принята модель массива, загруженная фундаментом (рис. 1).

Расчет армированного грунтового массива выполняется из условия равновесия внешних сил N и

внутренних напряжений О р о, О аэ о при (Ж< Ш/):

N=яАг.», (3)

= N (4)

Начальные напряжения в грунтовой части Огр о и в

армоэлементах О аэ о массива определяем в соответствии с расчетной схемой (рис. 2):

N

а =

^ а ,

а А

а = а ■ а = а гр гр,о

аэ.о гр .о а

(5)

(6)

9ч.

£3

1-і ... бен&Д

■ * к [Ш

'

¥

і і

О 1 н ■ 1 "л

р гт

Рис. 2. Расчетная схема армированного просадочного грунта, при Ш<Ш я

Суммарные напряжения в грунте с учетом веса грунта не должны превышать величины эквивалентного

пэкв

расчетного сопротивления Кг грунта

а + а £ Яэкк

гро гр

В свою очередь, Кг

вертикальными элементами массива

^экв гр ?

(7)

армированного

К экв ___________

гр

А - А А

К гр_________________аэ + к

гр А аэ А

(8)

где Ягр - расчетное сопротивление грунта, по СНиП 2.02.01-83* при

Яаэ - прочность армирующих элементов,

Агр - площадь грунтового массива, определяемая

границами армирования.

Деформативные свойства армированного грунта

экв гр•

оцениваются эквивалентным модулем деформации Е

с учетом влияния функций, учитывающих глубину у и площадь у армирования массива:

Еэкв =

гр,м

Егр (Агр - Ааэ )

■ (9)

здесь у=1+0,3(1т/к) и уш=1,07[(1Л-т/^, т,и тг соответственно, коэффициенты армирования грунта с количеством п и одним элементом.

После замачивания просадочного грунта при >р/ и Ж>Ж/1 прочность и деформативность армированного грунтового массива изменяется. Механизм возникновения деформаций просадки обусловлен возникновением и одновременным развитием двух реологических процессов: нарастанием пластических необратимых деформаций и уменьшением прочности грунта при постоянной нагрузке и влажности. Так как просадка происходит из-за существенного снижения показателей прочности этих грунтов при их увлажнении, то просадочная деформация рассматривается как следствие разрушения структуры лессовых грунтов в результате изменения их физического состояния и расчет основания, сложенного этими грунтами, помимо расчета по деформациям, производится по прочности. Армоэлемент вследствие его сцепления с просадочным грунтом становится внутренней связью, препятствующей свободной просадке грунта. Стесненные деформации просадки грунта приводят к образованию в армированном грунтовом массиве дополнительных,

внутренне уравновешенных напряжений Доп и Доаэ.

Под влиянием разности деформаций Де ^ между свободной и стесненной просадкой в грунте с модулем деформации Е1 возникают напряжения растяжения (10),

а в армоэлементе с модулем упругости Еаэ - упругие деформации е!/аэ и формируются дополнительные напряжения сжатия Доаэ (11).

е /,Е„.

До ^ = Де і ЕІ =

I__________ э! аэ

Еаэ

ЕІ

1

т

Дааэ Є' э!,аэ ^ аэ /

Еаэ =-

е ,Е

э! а-.

+1 ЕІ т

Уравнение равновесия внутренних напряжений

(10)

(11)

Д0 аэАаэ = Д0 2п Агр ,

(12)

где Ааэ, Агр - суммарная площадь армоэлементов и

грунта;

т =

А

А„

- коэффициент армирования.

Полные напряжения в грунте О гр () и армоэлементах О аэ (V) имеют вид:

Огр () = О- Догп, (13)

Оаэ (О = Оаэ.о + ДОаэ , (14)

Вследствие проявления пластических деформаций просадочным грунтом в стесненных условиях происходит

увеличение напряжений оаэ (V) в армоэлементах и

уменьшение напряжений О гр () в грунте (рис. 3).

Вводим функции накопления напряжений в грунте НО и армоэлементе НО .

Н„ =1+-

На =1 -

е ,Е

э! аэ

Еаэ + 1

Ео т

та

е ,Е

э! аэ

Еаэ 1

аэ +______

е! т

\ ° п /

(15)

(16)

Эквивалентная прочность Я™” массива с прочностью

армоэлемента Каэ

экв гр

гр = Н

Яр {Г) Агр - А^

Аг

Яа

Н„

А

А„

(17)

гр Оаэ гР

В соответствии с теорией наследственной ползучести и учетом ядра ползучести К(V - т) = 5 (V - Т) а° относительные деформации стесненной просадки е х/а (V)

т

гр

гр

г

гр.о

Начальные напряжения Дополнительные напряжения Полные напряжения после при W<Wsl после замачивания, при ’>’81 замачивания, при ’>’81

Рис. 3. Расчетная схема армированного просадочного грунта, при Ш>Ш

ЕІ

ґ Е 1 4

аэ і____

е I т

\ ° п /

(18)

Эквивалентный модуль деформации Е армированного грунтового массива

экв

гр

а

а Е о

т-'экв______

■’ = ?„.. ( Г

1 + -^- !'-■ 1 - а„

ґ Е 1 л

аэ +______

ЕІ т

иЕ,

Е^ +1 Ео т

\ ( 8 |

т 1 + Д ао

1 - ао

\ ■0

(19)

Полная осадка армированного массива равна сумме осадки £ и просадки 5^

Бп = 5 + 5,/ (20)

Относительная деформация просадки армированного грунта

ЕІ

ҐЕ^+і4

еі т

(21)

т

V “ • /

Просадка грунта, армированного вертикальными элементами

{а » + а»Г

^!,а {/) = Ё-

ЕІ

1 + -

Е аэ + 1

е1 т

\ ° ^ /

Сопоставление результатов расчета с результатами

натурных испытаний просадочных грунтов [1] показало

сходимость в пределах 10-15%.

Литература

1. Крутов В.И., Попсуенко И.К. Устранение просадок лессовых грунтов от их собственного веса путем армирования лессовой толщи // Основания, фундаменты и механика грунтов, №6, 1976. - С. 17 -19.

2. Крутов В.И., Попсуенко И.К. Расчет армированных массивов. Труды института. Вып. 70. - М.: Стройиздат, 1980.

3. Мустафаев А.А. Расчет оснований и фундаментов на просадочных грунтах. - М.: Высшая школа, 1979. -368 с.

4. Мустакимов В .Р., Мирсаяпов И. Т. Совершенствование расчета грунта основания, армированного вертикальными элементами. // Международная научно-техническая конференция “Геотехника Беларуси: наука и практика ”. “БУДАУНІЦТВА. СТРОИТЕЛЬСТВО. СОШТЯЛС ТЮ№’ , №1-2.

- Минск: БНТУ 2003. - С. 131-145.

5. Мирсаяпов И. Т., Мустакимов В .Р. Напряженно-деформированное состояние, прочность и деформативность просадочных грунтов оснований, армированных вертикальными элементами // Труды международной научно-практической конференции по проблемам механики грунтов и фундаментостроению. Т. I и Т. II. - Пермь: ІІІТУ 2004.

- С. 122-128.

6. Мирсаяпов И.Т., Мустакимов В.Р. Алгоритм расчета геомассивов. // Актуальные проблемы проектирования и устройства оснований и фундаментов зданий и сооружений. Сб. научных статей. - Пенза, 2004. - С. 167-171.

т

1-а

Г

І=1