СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ НА ГРУНТ ОСНОВАНИЯ ФУНДАМЕНТА ЗДАНИЯ ИЛИ СООРУЖЕНИЯ, НАХОДЯЩЕГОСЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ
METHOD OF DETERMINATION OF GROUND PRESSURE OF OPERATED BUILDING OR STRUCTURE FOUNDATION

Изобретение относится к области неразрушающего контроля значения давления на грунт основания от подошвы фундамента здания на стадии эксплуатации. Известно [1], что доступа надежного и экономичного к грунтовым основаниям под эксплуатируемыми зданиями в настоящее время нет и определить давление на него и его сопротивление (прочность) практически невозможно.
Определение давления на грунт основания фундамента методом сбора нагрузок, как это делается на стадии проектирования, после нескольких лет эксплуатации, особенно многоэтажных зданий, трудоемко, дорого и практически невозможно, а без информации о величине давления на грунт основания невозможно оценить его надежность и, соответственно, безопасность эксплуатации всего здания, особенно многоэтажного и высотного.
В настоящее время известны следующие способы измерения давления на грунт основания от подошвы фундамента здания.
Известен способ измерения давления на грунт [2], заключающийся в сборе нагрузок по геометрическим размерам конструктивных элементов и по плотностям материалов этих элементов. Вес мебели, оборудования, людей и т.д. учитывают приближенно по нормативным данным.
Недостатком является то, что при отсутствии проектной документации на здание такой способ трудоемок, связан с неудобствами для жильцов и работников, не учитывает изменение веса, вызванного устройством новых полов без разборки старых, устройством подвесных потолков, изменением снеговой и ветровой нагрузок, устройством мансард, застеклений балконов, увеличением бытовой техники и т.д., и не приспособлен для мониторинга нагрузки. Поэтому этот способ на стадии эксплуатации не нашел применение на практике.
0
1
<mrow><mi>ε</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mi>k</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
Известен способ определения напряжений в бетоне фундамента [3], заключающийся в том, что на малой площади поверхности фундамента наклеивают тензорезисторы, измеряют омическое сопротивление R тензорезисторов, фрезеруют кольцевой надрез вокруг наклеенных тензорезисторов фрезерованием на поверхности фундамента на глубину ¾ диаметра кольцевого надреза, измеряют омическое сопротивление R тензорезисторов, определяют деформацию по формуле
, где k - коэффициент тензочувствительности тензорезисторов, по деформации s определяют напряжение в материале фундамента по формуле σ=ε·Е, где Е - модуль упругости материала фундамента измеряют по результатам испытаний выбуренных цилиндрических образцов материала фундамента известными неразрушающими методами, например, с помощью прибора ПУЛЬСАР-1.0., а по напряжению σ определяют давление на грунт основания по формуле р=σ+γh, где h - высота, равная расстоянию от тензорезисторов до подошвы фундамента, γ - плотность материала фундамента.
1
Недостатком этого способа является малая точность определения напряжения σ (только в поверхностных слоях), необходимость нарушения электрической цепи измерительной системы на период образования кольцевого надреза, что влечет появление ошибки в измерениях сопротивления R.
Известен способ измерения давления на грунт основания фундамента [3] с помощью неизвлекаемых датчиков давления (месдоз).
Однако этот способ предусматривает закладку приборов для измерения давления на грунт от фундамента на стадии строительства и находит применение в ответственных сооружениях по безопасности, таких как плотины через большие реки, здания атомных электростанций и т.п.Для жилых и административных зданий месдозы не применяют из-за высокой стоимости и из-за того, что этих зданий много и нельзя заранее выявить на стадии проектирования и строительства необходимость в таком постоянном мониторинге давления на грунт основания фундамента в этих зданиях.
Известен способ измерения давления на грунт основания фундамента [4] с помощью извлекаемых датчиков давления грунта ДДГЛ-5 («Лопата») и других, подобных по принципу работы. Датчик ДДГЛ-5 содержит плоский клин, рукоятку-толкатель, выполненную из отрезков труб, и собственно датчик с тензорезисторами. Способ заключается в том, что вблизи фундамента отрывают траншею с дном ниже основания фундамента и между грунтом и подошвой фундамента вдавливают с усилием клиновую часть датчика, содержащую упругий диск с наклеенными тензорезисторами. По изменению омического сопротивления тензорезисторов судят о давлении фундамента на грунт.
Недостатками этого способа измерения давления на грунт основания являются низкая точность при многократных измерениях, необходимых для статистики результатов измерений, вызванная тем, что клиновая часть датчика разрыхляет грунт с последующим его неопределенным по значению уплотнением, нарушается естественное состояние грунта под фундаментом, грунты основания, особенно увлажненные поверхностными или грунтовыми водами, могут выпирать из-под фундамента в траншею, дно которой ниже подошвы фундамента. В зимнее время практически невозможно его применение, особенно при продолжительном времени непрерывных измерений, невозможно использовать для измерения давления со стороны подвального помещения с полом (при измерениях давления в зимнее время и при проверке неравномерности распределения давления на грунт основания) по ширине фундамента.
0
1
0
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является компенсационный способ измерения давления на грунт основания [3], который заключается в том, что на бетонную или кирпичную поверхность стен или фундаментов здания вдоль направления главных сжимающих напряжений наклеивают три тензорезистора и подключают их проводами к аппаратуре для измерения омического сопротивления R. Затем ниже наклеенных тензорезисторов устраивают вырубкой карман глубиной 100 мм, шириной 200 мм и высотой 25 мм и вновь измеряют их омическое сопротивление R. В карман вводят компенсатор в виде металлической коробки размером 160×80×15 мм с жесткими боковыми стенками, с днищем и крышкой в виде гибких мембран с маслопроводом и манометром. Компенсатор крепят к стенкам камеры цементным раствором, после затвердевания раствора в компенсатор накачивают масло, до тех пор, пока его давление через крышки коробки не приведет в тензорезисторах омическое сопротивление к первоначальным значениям R, устанавливаемым с помощью приборов измерения сопротивления, и по манометру определяют давление масла. Это давление равно напряжению в материале фундамента или стен, которое равно давлению конструкции на фундамент или стену здания в горизонтальном сечении выше уровня наклейки тензорезисторов. Давление на грунт основания определяют по формуле q=p+γh, где h - высота, равная расстоянию от тензорезисторов до подошвы фундамента, γ - плотность материала фундамента, σ - напряжение.
3
Недостатками этого способа являются повышенная концентрация напряжений, вызванная устройством карманов формы прямого параллелепипеда с размерами 200×100×25 мм, выключение из работы части фундамента, работающей на сжатие, даже после заполнения кармана бетоном, вследствие чего снижается остаточная несущая способность фундамента.
Техническим результатом изобретения является уменьшение концентрации напряжений, вызванное устройством карманов в форме сегмента круга, в котором отсутствуют углы-компенсаторы напряжений, повышение остаточной несущей способности фундамента с помощью выключения из работы части фундамента, работающей на сжатие, меньшей площади, а также за счет многократного уменьшения высоты кармана, благодаря чему заполнение кармана вступит в работу при меньшей деформации фундамента.
0
1
1
0
Для этого геодезическими методами выявляют место наибольшей осадки фундамента, в этом месте на высоте 50-60 см (при устройстве кармана на расстоянии меньше 50 см от подошвы фундамента может привести к разрушению части фундамента ниже кармана при нагнетании масла в камеру; при устройстве кармана выше 60 см от подошвы фундамента возрастает отличие деформаций фундамента от деформаций на уровне подошвы фундамента, за счет распределения давления в фундаменте под некоторым углом) от подошвы фундамента или выше первого уступа фундамента наклеивают три тензорезистора и измеряют их сопротивление R, изолируют их от внешнего воздействия эпоксидной смолой, фрезерованием фундамента дисковой фрезой выше тензорезисторов устраивают карман и измеряют сопротивление тензорезисторов R. Карман продувают воздухом для удаления части материала фундамента от фрезерования и высушивают его поверхности, смазывают поверхность кармана эпоксидной смолой и вводят в карман плоскую камеру в форме сегмента круга с размерами: глубиной 70-80 мм и высотой 5-6 мм, предварительно смазанную эпоксидной смолой, после полимеризации смолы нагнетают в камеру масло до давления, при котором омическое сопротивление тензорезисторов вернется от R к R, с помощью тензометрического датчика давления определяют давление р масла в камере, которое равно напряжению σ=р в материале фундамента, а для его контроля расчетом определяют это же напряжение по формуле
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mi>ε</mi><mo>⋅</mo><mtext>E</mtext><mtext>,                                                        (1)</mtext></mrow>
где Е - модуль упругости материала фундамента, а деформация материала фундамента определяется по формуле
<mrow><mi>ε</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mi>k</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
где k - коэффициент тензочувствительности тензорезисторов.
Давление q на грунт основания фундамента определяют по формуле
<mrow><mtext>q</mtext><mo>=</mo><mtext>p</mtext><mo>+</mo><mi>γ</mi><mi>h</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>                            </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где h - расстояние от подошвы фундамента до кармана, как показано на фиг.1; γ - плотность материала.
1
0
Давление на грунт основания контролируют по значениям сопротивлений тензорезисторов R и R по формуле
<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mi>k</mi><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mi>E</mi><mo>+</mo><mi>γ</mi><mtext>h</mtext><mtext>,                                   (3)</mtext></mrow>
где Е - модуль упругости материала фундамента, определяемый неразрушающими методами [5], h - расстояние от подошвы фундамента до кармана, γ - плотность материала.
На фиг.1 показан поперечный разрез по стене, где b - ширина подошвы фундамента, с - глубина кармана, h - расстояние от подошвы фундамента до кармана, 1 - шурф, 2 - фундамент здания, 3 - стена здания, 4 - карман в форме сегмента круга.
На фиг.2 изображен продольный разрез по стене, где 2 - фундамент здания, 3 - стена здания, 4 - карман в форме сегмента круга, 5 - прибор для измерения омического сопротивления, 6 - тензорезисторы, h - расстояние от подошвы фундамента до кармана.
На фиг.3 показан разрез по стене, где 2 - фундамент здания, 4 - карман в форме сегмента круга, с - глубина кармана, R - радиус дисковой фрезы.
0
<mrow><msub><mi>p</mi><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>p</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow><mi>n</mi></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>q</mi><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>q</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow><mi>n</mi></mfrac></mrow>
При мониторинге давления на грунт основания фундамента масло в камере сохраняют под давлением, и давление контролируют тензорезисторными датчиками давления с выводом проводов в помещение здания или повторяют нагнетание давления до приведения сопротивления тензорезисторов до R. При каждом измерении давления q измеряют и давление масла p манометром или тензорезисторным датчиком не менее трех раз и находят среднее давление по манометру или тензорезисторному датчику
и среднее давление q по формуле
, где q определяют по формуле, n - число измерений давлений р и q.
Значение различий между р и q допускается в зависимости от ответственности зданий или сооружений, а для жилых зданий оно не должно превышать 3-5%.
В ленточных фундаментах описанный способ осуществляют через каждые 10-20 м в зависимости от предполагаемой неравномерности давления (нагрузки) по длине фундамента, в столбчатых фундаментах в одном месте. После испытаний коробка из кармана не извлекается, коробка с маслом без давления или под давлением остается на длительное время эксплуатации здания для контроля давления, определяемого с помощью манометра, или тензорезисторного датчика, или с помощью тензорезисторов для мониторинга давления. В первом случае (без давления) давление в коробке создают нагнетанием масла насосом каждый раз при измерениях давления на грунт основания. Вес части фундамента, расположенной ниже кармана, высотой 40-50 см от подошвы фундамента определяют по удельному весу у материала фундамента. Для выявления неравномерности давления на грунт по ширине подошвы фундамента карманы устраивают с обеих сторон по ширине фундамента.
Список литературы
1. Исхаков Ш.Ш., Васкевич В.М., Ковалев Ф.Е., Рыжиков В.Ю. Проблемы оценивания надежности зданий и сооружений на стадии их эксплуатации. - М.: Сб. научных статей, под ред. проф. К.И.Еремина «Предотвращение аварий зданий и сооружений» (а также в электронном журнале «Предотвращение аварий зданий и сооружений» в Интернете), 2011.
2. TCH 50-302-2004. Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге. - СПб.: Правительство Санкт-Петербурга, 2004.
3. Обследование и испытание сооружений: Учеб. для вузов / О.В. Лужин, А.Б. Злочевский, И.А. Горбунов, В.А. Волохов; Под ред. О.В. Лужина. - М.: Стройиздат, 1987. - 263 с.: ил.
4. Тензо - М. Тензодатчики. Тензорезисторный извлекаемый датчик давления грунта ДДГЛ [Электронный ресурс]. URL:tenso-m.ru/pages/21 Дата обращения: 26.03.2013.
5. Землянский А.А. Обследование и испытание зданий и сооружений: Учебное пособие. - М.: Изд-во АСВ, 2001. - 240 с.: ил.