СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ СООРУЖЕНИЯ НА НАБУХАЮЩЕМ ГРУНТОВОМ ОСНОВАНИИ
METHOD OF PROVIDING OPERATIONAL RELIABILITY OF STRUCTURES ON EXPANSIVE SOIL FOUNDATION

Изобретение относится к строительству мелкозаглубленных фундаментов на естественном основании свайных фундаментов и подземных сооружений (далее сооружений) нормального уровня ответственности на набухающих грунтовых основаниях.
При проектировании и строительстве зданий и подземных сооружений на набухающих грунтах следует предусматривать мероприятия, направленные на обеспечение их устойчивости к эксплуатационной пригодности. Эти мероприятия должны разрабатываться с учетом специфики возникновения процесса набухания грунта в основании, характер протекания этого процесса и закономерностей набухания грунта в массиве [1].
Согласно [2] «при проектировании оснований, сложенных набухающими грунтами следует учитывать возможность:
набухания грунтов за счет подъема уровня подземных вод или инфильтрации - увлажнения грунтов производственными или поверхностными водами;
набухания грунтов за счет накопления влаги под сооружениями в ограниченной по глубине зоне вследствие нарушения природных условий испарения при застройке и асфальтировании территории (экранирование поверхности);
набухания и усадки грунта в верхней части зоны аэрации - за счет изменения водно-теплового режима (сезонных климатических факторов);
усадки за счет высыхания от воздействия тепловых источников».
Далее приводятся формулы для определения горизонтального давления, подъема основания, относительного набухания, давления набухания, относительной усадки, осадки основания, конструктивные решения по ограничению отрицательных воздействий набухания и усадки на сооружения.
Основным недостатком норм проектирования [2] является принятие распределения напряжений в грунте под фундаментами от внешней нагрузки и напряжений набухания грунта равномерными и основным видом расчета является определение величины перемещения фундаментов вверх при набухании грунта и их осадка при усадке последнего.
Нежелательные деформации и разрушения сооружений вызываются именно неучтенными, непредусмотренными перемещениями отдельных элементов конструкций, вызванными неравномерностью деформаций набухания оснований [3].
Наиболее близким аналогом по определению влияния неравномерных деформаций набухания грунта основания является [3].
В работе [3] рассматриваются закономерности набухания грунтов и их использование при строительстве в развитии указаний [2]. Однако, как определить неравномерность набухания грунта в основании фундаментов не раскрыта, приводимый пример определения изгибающего момента в стене (фундаменте) не учитывается распределение напряжений в грунте от сооружения и его влияние на набухание грунта основания. Т.е. не рассматривается напряженно-деформированное состояние (НДС) сооружения при взаимодействии его с набухающим грунтовым основанием.
k
Согласно модели А.Л. Невзорова [4] скорость набухания, пучения и сжатия грунта (V) определяется скоростью фильтрации или миграции паровой влаги, которая, в свою очередь, зависит от величины избыточного давления (R-p), водопроницаемости k и мощности слоя Н:
Рассмотренная модель согласно [4] позволяет анализировать поведение грунта при изменении влажности, температуры, нагрузки и других параметров, а также использовать общие зависимости при изучении процессов набухания, пучения и сжатия. Она подтверждается нашими лабораторными и натурными исследованиями зависимости влажности грунта и скорости морозного пучения от давления [5].
Одной из ключевых проблем при взаимодействии фундамента (сооружения) с набухающими и пучинистыми грунтами является определение напряженно-деформированного состояния (НДС) сооружения при неравномерной скорости набухания (пучения) грунта.
Целью изобретения является обеспечение эксплуатационной надежности сооружения нормального уровня ответственности с минимально необходимыми требованиями к материало-энергоемкости сооружения и безопасного уровня воздействия здания (сооружения) на окружающую среду путем определения количественного значения воздействия вертикальных напряжений набухания грунта основания на сооружение по всей площади опирания фундамента.
Указанный технический результат достигается за счет рассмотрения напряженно-деформированного состояния (НДС) набухающего грунта и фундамента (сооружения) при их взаимодействии в процессе увлажнения набухающего грунта с вертикальными напряжениями в грунте от сооружения и с учетом закономерности распределения вертикальных напряжений набухания грунта [6] под фундаментом (сооружением).
zpi
zнi
Указанная цель достигается следующим образом. Учитывая, что механизм деформирования грунтов (набухания, пучения, усадки) имеет общую природу [4], можно утверждать, что закономерность распределения вертикальных напряжений набухания грунта под фундаментами и подземными сооружениями будет аналогичной закономерности распределения напряжений морозного пучения под ними [6], т.е. сумма абсолютных значений напряжений в грунте от фундамента (σ) и набухания (σ) в любой точке по площади подошвы будет постоянна согласно третьему закону Ньютона:
А напряжение набухания в любой точке под подошвой фундамента (сооружения), по аналогии с напряжением морозного пучения, будет равно:
Сущность изобретения поясняется чертежами и конкретными примерами определения распределения вертикальных напряжений набухания грунта под подошвой фундаментов (сооружений).
Пример 1. (Рис. III-12 [7]).
1
2
3
4
н
p
z
2
Ленточный фундамент на упругом основании нагружен четырьмя сосредоточенными силами p, p, p, и p (см. Фиг. 1). Требуется построить эпюру σ при известных значениях распределения σ по длине балки длиной l=10 м; шириной b=1 м; высотой h=0,6 м; гибкостью α=100. Среднее давление под фундаментом p=(400+500+500+400)/10=180 кПа или 18 тс/м.
нz1
нz2
нz3
нz4
Определяем значения σ; σ; σ и σ:
нz1
z
pz1
2
σ=2⋅p-σ=2⋅180-33,588=2,412 тс/м;
нz2
z
pz2
2
σ=2⋅p-σ=2⋅180 - 13,946=22,054 тс/м;
нz3
z
pz3
2
σ=2⋅p-σ=2⋅180 - 13,946=22,054 тс/м;
нz4
z
pz4
2
σ=2⋅p-σ=2⋅ 180-33,588=2,412 тс/м.
pz
zp
нz1
нz4
pz1
pz4
zpi
zнi
zнi
zpi
2
От основания эпюры σ откладываем вниз значение 2 p=36 тс/м и проводим параллельную к ней линию, и соединяем значения σ-σ со значениями σ-σ. В результате получаем эпюру распределения напряжений набухания грунта под ленточным фундаментом. Определяем граничные значения равенства σ и σ. На участке, где σ≥σ, возникают дополнительные вертикальные силы (напряжения) набухания грунта, действующие на ленточный фундамент, что следует учесть при определении дополнительного изгибающего момента и поперечных сил, действующих на фундамент.
(σHZ)
pz
нz
На Фиг. 1, в) показан дополнительный изгибающий момент М =11,2 тс⋅м. Из условия равновесия при перемещении фундамента вверх площади эпюры σ и σ будут равны между собой.
Отметим, что распределение напряжений в грунте под фундаментами и подземными сооружениями на упругом основании можно определить по научно-технической литературе [7, 8] или по сертифицированным программным комплексам, например ПК ЛИРА - 9, 10.
Пример 2 [6].
pzi
нzi
pzi
нzi
На Фиг. 2, а, б, и в показаны варианты увлажнения набухающих грунтов под квадратным фундаментом и расчетные схемы взаимодействия его с вертикальными напряжениями набухания грунта (Фиг. 2, г, д, е) приведены разрезы 1-1, 2-2, 3-3 при размерах квадратного фундамента 2×2 м и нагрузки от колонны, равной 1000 кН. При равномерном увлажнении набухающего грунта под квадратным фундаментом (Фиг. 2, а, г) показаны распределения напряжений в грунте от фундамента (σ), распределение напряжений набухания (σ) и граница участка, где σ=σ определяется согласно [6]. При равномерном увлажнении набухающего грунта, а под фундаментом (Фиг. 2, б, в) разрезы 2-2 и 3-3 образуются неравномерно распределенные напряжения набухания грунта, которые стремятся повернуть фундамент. Поэтому при применении квадратных и прямоугольных столбчатых фундаментов следует учитывать возможность поворота их перпендикулярно к диагоналям направлений и уменьшения изгибной жесткости квадратной колонны в 1,41 раза.
pz
нz
нz
pz
pz
нz
Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг. 1, а) показана схема нагрузок на ленточный фундамент шириной 1 м; б) эпюры распределения напряжений σ и σ под фундаментом и участок, где напряжения σ>σ; в) эпюры моментов от σ и σ - пунктиром дополнительные моменты с учетом давления набухания.
На Фиг. 2 а, б и в показаны варианты увлажнения набухающих грунтов под квадратным фундаментом и расчетные схемы взаимодействия его с вертикальными напряжениями набухания грунта (Фиг. 2, г, д и е) приведены разрезы 1-1, 2-2 и 3-3.
Изобретение позволяет научно обоснованно определить дополнительные нагрузки на фундаменты (сооружения) от сил набухания грунта и обеспечить надежную эксплуатацию сооружения с минимально необходимыми материальными и финансовыми затратами.
Источники информации
1. Е.А. Сорочан. Строительство сооружений на набухающих грунтах. М.: Стройиздат, 1974 г., 224 с.
2. Свод правил СП22.13330.2011 "Основания зданий и сооружений". Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. М. Минрегион РФ, 2010-161 с.
3. О.Р. Голли. Использование закономерностей набухания глинистых грунтов в строительстве. Санкт-Петербург: Реконструкция городов и геотехническое строительство, №8, 2004 с. 132-141.
4. А.Л. Невзоров. Обеспечение устойчивого функционирования системы «основание-техногенная среда» в сложных инженерно-геологических условиях: Автореферат, диссертация д.т.н. / Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет, г. Санкт-Петербург, 2004, - 41 с.
5. Р.Ш. Абжалимов. Использование сезонно-промерзающих пучинистых грунтов в качестве оснований для фундаментов малоэтажных зданий и подземных сооружений в инженерной практике, г. Омск. Изд-во ООО "Омскбланкиздат", 2013 - 442 с.
6. Абжалимов Р.Ш. "Закономерность распределения вертикальных напряжений набухания грунта под фундаментами и подземными сооружениями". / Геотехника №5, 2015, с. 54-61.
7. И.А. Симвулиди. Расчет инженерных конструкций на упругом основании: учебное пособие для строительных вузов, - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1978. - 480 с.
8. М.И. Горбунов - Посадов, Т.А. Маликова, В.И. Соломин. Расчет конструкций на упругом основании. – М.: Стройиздат, 1984. - 678 с.