Сопоставления расчета осадок зданий по различным методам при наличии в основании слоев слабых грунтов

3/2008

ВЕСТНИК

МГСУ

СОПОСТАВЛЕНИЯ РАСЧЕТА ОСАДОК ЗДАНИЙ ПО РАЗЛИЧНЫМ МЕТОДАМ ПРИ НАЛИЧИИ В ОСНОВАНИИ СЛОЕВ СЛАБЫХ ГРУНТОВ

Р. А. Мангушев, К. X. Нгуен

В основе большинства современных методов для расчета осадок фундаментов сооружений лежат решения теоретической ^^^Н^к

механики грунтов в области теории распределения напряжений и деформаций в грунтовом массиве под воздействием природных и антропогенных факторов, а также анализ результатов длительных экспериментальных исследований натурных наблюдений за осадками реальных сооружений. Практика строительства показала, что существующие методы расчетов осадок здания дают значительные расхождения в результатах, особенно при наличии в основании сильносжимаемых грунтов (модуль деформации E < 5 мПа). При этом полученная осадка по методу российских СНиП [6, 7, 8] меньше фактической во много раз.

Современные методы расчетов осадок по СНиП основываются на линейной теории упругости. Метод послойного суммирования по СНиП 2.02.01-83 [6] является международно признанным методом. Полная осадка определяется как сумма осадок элементарных слоев в пределах сжимаемой толщи по формуле (1) в приложении 2 СНиП. Следует иметь в виду, что при расчете осадки фундамента шириной менее 10 м учитывается дополнительное давление (P0 = P - crzg,0) по подошве, а для фундамента шириной более 10 м - полное давление P0 = P. Таким образом, рекомендуется вычитать вес вынутого грунта из веса здания при ширине здания меньше 10 м, и не вычитать при ширине фундамента более 10 м [3].

Вопросы определения осадок фундаментов с учетом разуплотнения грунтов рассматриваются в работах И. М. Юдиной, В. А. Флорина и др.[4, 5]. В методах послойного суммирования по СП 50-101-2004 [8] и СНиП 2.02.02-85 [7] осадка здания также определяется с учетом процессов разуплотнения грунта при откопке котлована и его последующего уплотнения при возведении сооружения. При этом осадка здания с использованием расчетной схемы в виде линейно деформируемого полупространства определяется по формуле (5.14) в СП 50-101-2004 и формуле (33) в СНиП 2.02.02-85.

В последние годы с развитием математического аппарата теория нелинейной деформации используется для решения геотехнических задач с помощью метода конечных элементов. Для описания нелинейного упругопластического деформирования грунтов широко применяются математические модели, основанные на использовании потенциала пластичности Mises. В этой теории принимают

где - с1еу - приращение компонента тензора деформаций, складывающееся из упругих (е) и пластических (р) составляющих.

de.. = de' + dep.

В методе конечных элементов используются различные модели материала, характеризующиеся условием текучести и зависимостью между напряжениями и деформациями (скоростью изменения напряжений и скоростью изменения деформации). Для решения задач в геотехнической области в настоящее время широко используются следующие модели нелинейной деформации грунта: модель Мора-Кулона, гиперболическая модель, модифицированная упруго-пластичная модель «кем-клей» и т.д. Причем модель Мора-Кулона получает широкое применение вследствие простоты и малого объема исходных данных при расчете.

Сопоставление величины осадок оснований, определенных расчетом и по натурным наблюдениям является единственной возможностью оценки достоверности существующих методов расчета. Нами проведено такое сопоставление для 8-и зданий, построенных на плитных и ленточных фундаментах. Данные наблюдений за осадками объектов были взяты из работ Сотникова С. Н., Фадеева А. Б., Нгуена В. К., Камаева В. С [1, 2, 3]. В таблице 1 приведены результаты расчетов осадок по различным методам.

Таблица 1: результаты расчетов осадок по различным методам

№ Количество этажей давление на фундамент (кПа) Глубина заложения (м) осадка, определяемая по

СНиП 2.02.01-83 СНиП 2.02.02-85 СП 50-1012004 SCAD PLAXIS Наблюдению

(1) 7 100 4,5 18,8 4,5 5,5 4,1 5,7 2,5

(2) 4 80 3,9 7,8 3,11 4,5 4,3 3,5 3,2

(3) 12 170 2,0 40,0 24,4 33,5 45,0 74,3 74,2

(4) 12 170 2,0 38,9 23,4 32,1 44,2 60,4 67,4

(5) 9 200 2,0 16,25 12,88 17.56 23,9 45,0 61,2

(6) 5 80 1,2 16,2 10,6 13,2 19,5 36,7 45,5

(7) 5 80 1,2 14,9 9,8 12,3 16,7 30,9 26,5

(8) 12 156 5,65 26,5 12,5 12,8 - 23,2 22,0

(1) - здания[3]; (2) - Д.18, ул. Фрунзе, г. СПб; (3) - Корпус 1-4 [2]; (4) Корпус 1-6 [2]: (5) - Корпус 1-3 [2]; (6) - Жилой дом Куинглой С6В [1]; (7) - Жилой дом Куинглой С7В [1]; (8) - Здание Хоатхинь - Китай.

Результаты показали, что существует большое различие между расчетными результатами по СНиП и данными наблюдения, особенно при наличии в основании здания слоя слабых грунтов (объект № 3 - 8).

В объектах № 1, 2 в основании которых отсутствует слабый грунт, максимальная расчетная осадка, полученная методом СНиП 2.02.01-83, составила 18,8 и 7,8 см. Однако фактические значения во много раз меньше и составляют соответственно только 2,5 и 3,2 см. Эта разница может быть объяснена вышеприведенными упущениями при определении осадок фундамента шириной более 10 м по методу СНиП 2.02.01-83. Следует отметить, что глубина заложения фундамента вышеназванных объектов составляет соответственно 4,5 и 3,9 м. поэтому масса извлеченного грунта значительно влияет на полученный результат. При этом полученная осадка, определенная методами СНиП 2.02.02-85 (Бс = 4,5 см) и СП 50-101-2004 (Бс = 5,5 см) с учетом разуплотнения грунтов при разработке котлованов, достаточно мала и ближе к фактическому значению.

В основании объектов № 3 - 8 толщина слоев слабых грунтов довольно велика (12 - 23 метров). Такие слои залегает непосредственно под подошвой фундамента. Отметим, что полученные осадки, определяющиеся разными нормами, достаточно равномерны. Однако при сравнении с натурными данными расчетные значения оказались заниженными. Вышеотмеченная разница может объясняться ошибкой определения глубины сжимаемой толщи Нс при наличии мощного слоя слабых грунтов в основании. Отметим, что для каждого из вышеназванных методов существует отдельные рекомендации по определению значения Нс.

Критерий определения размера Нс по величине соотношения о и ощ применим для нормально уплотненных грунтов, которые находятся в состоянии завершенной консолидации. Однако, если природа грунта иная, то процесс деформирования основания развивается по иным закономерностям [2]. Увеличение нагрузки на слабые грунты вызывает их уплотнение в пределах всей их толщи до подстилающих мало-сжимаемых грунтов, которые могут залегать на глубинах, значительно превосходящих размер Нс, устанавливаемый по отношению (оуО^).

Рисунок 1: Эпюры послойных перемещений грунта в основании, установленных по различным

методам

На рисунке 1 приведены эпюры послойных перемещений грунта, определенных различными методами, в основании объекта № 3. Причем перемещения грунтов по глубине определяются с помощью глубинных марок. Результаты расчета по нормам дают

большую разницу по сравнению с результатами натурных наблюдений. По СНиП 2.02.02-85 перемещение грунта на глубине Hc = 23 м (из условия ozp < 0.2ощ) равно 3,15 см, в то время как измеренное значение составляет 24 см. По СНиП 2.02.01-83 и СП 50-101-2004 перемещение грунта на глубине Hc = 28 м (из условия azp < 0.1g ) составляет 1,1 см и 0,8 см, а по данным наблюдений послойных перемещений грунта - 15 см. Это подтверждает, что ошибки в прогнозе конечных осадок оснований зданий на слабых грунтах могли быть вызваны заниженным размером активной зоны основания (Hc).

Результаты расчетов показали, что почти во всех объектах осадка, определяемая методом конечных элементов с помощь программ PLAXIS с использованием упруго-пластичной модели Мора-Кулона, ближе к данным наблюдений. На рисунке 1 видно, что программа PLAXIS дает возможность определять осадку без ограничения сжимаемой толщи. Расчетная осадка, определенная по программе PLAXIS, на глубине 28 м составляет 8 см.

Одной из причин, приводящих к значительному отличию расчетных результатов по методам СНиП и по методу конечных элементов с использованием теории линейной деформации (программа SCAD) от данных наблюдений, является недоучет пластической деформации в конечной осадке. Из таблицы 2 видно, что в объектах № 3 - 7 при наличии в основании мощного слоя слабых грунтов пластическая деформация составляет до 50 % конечной осадки.

Таблица 2: Оценка величины пластической деформации

Объект давление под подошвой фун-та кПа Глубина заложения фун-та м Конечная осадка (по PLAXIS) S, см Пластическая деформация Sp, см

(1) 100 4,5 5,7 0,7

(2) 80 3,9 3,5 0,6

(3) 170 2,0 74,3 31,5

(4) 170 2,0 60,4 24,6

(5) 200 2,0 45,0 18,2

(6) 80 1,2 36,7 18,6

(7) 80 1,2 30,9 14,3

(8) 70 1,0 42,7 25,4

Таблица 3: Характеристики свойств грунтов в основании объекта № 6

№ слоя Название грунта Мощность слои,м Y, кН/м3 Yd, кН/м3 С, кПа Ф,° Е, мПа

1 Насыпный грунт 1,2 - - - - -

2 Глина тугопластичная 3,6 19,7 - 42 16 10

3 Суглинистый торф 11,2 15,4 - 10 6 1,6

4 Суглина - 18,7 - 40 18 12,0

В объекте № 6 (район Куинглой) слой слабых грунтов в основании полностью относится к сжимаемой толще. Физико-механические свойства слоев грунтов приведены в таблице 3. На рисунке 2 видно, что в объекте № 6 пластическая зона под фундаментом, определяемая программой PLAXIS, слишком велика и составляет до 18,6 см. Пластическая зон развивается до нижней границы (14,4 м) слоя слабых грунтов (суглинистый торф с модулем деформации E = 1,6 мПа). При этом осадка, рассчитанная программой SCAD с использованием модели линейной деформации, составляет 19,5 см.

Рисунок 2: Изолиния полей деформации в основании объекта № 6

Выводы

1. Методы определения осадок здания по СНиП оказываются недостаточно точными при наличии в основании мощного слоя слабых грунтов.

2. В основаниях, сложенных слабыми грунтами, пластическая деформация значительно влияет на конечную осадку. В примерах расчета пластическая деформация составляет до 50 % конечной осадки. Это является одной из главных причин, приводящих к значительной разнице между расчетными результатами по СНиП и данными наблюдений;

3. В рассмотренных примерах метод конечных элементов с использованием модели нелинейной деформации, а именно программа РЬЛХ1Б, показывает наибольшую сходность значений расчетных и фактических осадок.

Список литературы

1. Нгуен Ван Куанг. Основание и фундамент гражданских и промышленных сооружений на славых водонасышенных пылевато-глинистых грунтах Вьетнама / Нгуен Ван Куанг // Дисс. На соискание ученой степени Доктора. тех. наук.- Л.: ЛИСИ.- 1988.- 312 с.

2. Сотников С. Н. Строительство и реконструкция фундаментов зданий и сооружений на слабых грунтах / Сотников С. Н. // Дисс. Докт. наук.- Л.- МИСИ.- 1986.

3. Фадеев А. Б. Осадки зданий на слабых грунтах Санкт-Петербурга / Фадеев А. Б. // Журнал «основания, фундаменты и механика грунтов».- 2001-№ 5.- С. 7-10.

4. Флорин В. А. Основы механики грунтов / Флорин В. А // том 2 - Деформация и устойчивость оснований сооружений.- Л, М.- Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам.- 1961.- 543 с.

5. Юдина И. М. Разуплотнение грунтов основания котлованов и его учет при прогнозе осадок сооружений / Юдина И. М // Дисс. Канд. наук.- М.- МИСИ.-1989.- 189 с.

6. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений / М.- Стройиздат.- 1985.- 41 с.

7. СНиП 2.02.02-85. Основания гидротехнических сооружений / Госстрой России.- М.-ФГУП ЦПП.- 2004.- 48 с.

8. СП 50-101-2004. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений / М.- Стройиздать.- 2004.- 130 с.