Осадка фундаментов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Общие сведения о реологии и нелинейности деформирования грунтов

Грунтам оснований свойственны реологические процессы, проявляющие себя через ползучесть скелета грунта и консолидацию. Ползучесть скелета грунтов объясняется перегруппировкой структурных агрегатов и грунтовых частиц, выражающейся в постепенном разрушении сначала менее прочных, а затем более прочных структурных связей, возникновением новых связей коллоидной и молекулярно-контактной природы, проявляющихся вследствие сближения частиц грунта в процессе деформирования в зонах с большими напряжениями; консолидация сопровождается вытеснением воды и воздуха из пор в менее напряженные области или на поверхность грунтового массива.

Рассматривая деформирование образцов грунта при сдвиге под действием внешней нагрузки различной интенсивности в течение определенного промежутка времени, можно, построив соответствующие графики, получить семейство кривых ползучести (рис. 1.1).

Рис. 1 Деформации грунта во времени при различных стадиях ползучести

Анализируя эти графики, можно выделить два типа деформаций: мгновенные у„ и развивающиеся во времени, или деформации ползучести уа.

Характер деформаций ползучести зависит от внешней нагрузки. При нагрузке, не превышающей предела длительной прочности, происходит постепенное уменьшение интенсивности нарастания деформаций ползучести и этот этап деформирования называют стадией затухающей ползучести (кривая 1 на рис. 1.1). На этой стадии процесс разрушения ранее существовавших структурных связей компенсируется образованием еще большего числа новых связей, вследствие чего и происходит затухание деформаций.

При нагружении образца внешней нагрузкой, вызывающей появление напряжений, незначительно превышающих предел длительной прочности, процесс деформирования протекает иначе, а именно: деформации ползучести растут во времени с постоянной скоростью и этот этап деформирования называют стадией установившейся ползучести (кривая 2). На этой стадии деформирования устанавливается равновесие между количеством разрушающихся связей, сопровождающееся потерей прочности и образованием новых связей. Это и вызывает постоянный рост деформаций ползучести.

Если внешняя нагрузка вызывает появление напряжений, существенно превышающих предел длительной прочности, то процесс деформирования переходит в стадию прогрессирующего течения, при которой наблюдается увеличение скорости роста деформаций ползучести (кривая 3). Эта стадия сопровождается интенсивным разрушением существовавших связей, а образующееся количество новых водно-коллоидных и молекулярно-контактных связей незначительно, вследствие чего эта стадия ползучести всегда заканчивается разрушением.

В целях исключения появления значительных незатухающих осадок и разрушения оснований в грунтах допускается только первая стадия деформирования -- стадия затухающей ползучести. Для математического описания закона деформирования скелета грунта в стадии затухающей ползучести используют теорию наследственной ползучести. Зависимость между деформациями и напряжениями при непрерывном одноосном уплотнении переменным давлением принимают в виде

(1.1)

где а (I) и а (10) -- напряжения, развивающиеся к моменту времени I и 10; I -- текущая координата времени; 10 -- время, соответствующее моменту приложения нагрузки, вызывающей напряжение а (/0), действующее в течение отрезка времени Л0; К (I, 10) -- ядро ползучести, параметры которого определяют из опытных данных.

Использование зависимости (1) в расчетах оснований позволяет учитывать режимы загружения, т. е. изменение внешней нагрузки в процессе эксплуатации зданий, а также предысторию загружения или влияние предшествующих загружений.

Однако применение выражения (1) имеет существенное ограничение, так как положенная в его основу линейная зависимость между деформациями и напряжениями позволяет рассчитывать основания, работающие только в пределах первых двух фаз напряженного состояния.

Возможность построения расчетных методов для грунтов оснований, деформирующихся в пределах третьей и четвертой фаз напряженного состояния, даст нелинейная теория упругости.

При нелинейном деформировании в условиях объемного напряженного состояния при простом загружении устанавливается нелинейная зависимость между интенсивностью напряжений и интенсивностью относительных деформаций е,=:у >/(Ех-еу)2 + (еу-Ег)2 + (Ег-ех)2 + ^ в следующем виде (рис. 1.2): ег >=Е%, где Е' = 1%а -- секущий модуль упругости (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Зависимость между интенсивностями напряжений и деформаций при объемном напряженном состоянии

Секущий модуль упругости, как это следует из зависимости, показанной на рис. 1.2, является величиной переменной и зависит от интенсивности относительных деформаций е1, Е = /(е,). Тогда выражение (2) можно записать в виде

<7,=/(Е1)б,, (3)

Применение зависимости (3) к расчетам оснований позволяет учитывать нелинейность деформирования, т. е. рассчитывать их в условиях деформирования в пределах третьей и четвертой фаз.

Решения нелинейной теории упругости позволяют более рационально проектировать фундаменты тяжелых сооружений, испытывающих большие нагрузки (дамбы, плотины и др.), и фундаменты обычных зданий, расположенных на малосжимаемых грунтах (плотные пески, глины, суглинки в твердом и полутвердом состоянии). Нелинейную теорию упругости применяют для расчета оснований, которые способны при больших нагрузках испытывать незначительные деформации, однако она не позволяет учитывать режим нагружения и предысторию деформирования.

Необходимо отметить, что использование теории ползучести и нелинейной теории упругости при проектировании оснований фундаментов приводит к очень сложным математическим зависимостям: в первом случае -- к линейным интегродифференциальным уравнениям, во втором -- к нелинейным дифференциальным.

2. Расчет осадки методом эквивалентного слоя и определение затухания осадки во времени

Для расчета затухания осадок фундаментов во времени можно воспользоваться методом эквивалентного слоя профессора Н.А. Цытовича.

В этом случае осадка слоистого основания определяется приближенно из выражения

S = h_э*б_o*P_o, (2.1)

где h_э - мощность эквивалентного слоя, м, определяемая из выражения

h_э = A_{w *} B, (2.2)

где h_э - коэффициент эквивалентного слоя, м, зависящий от коэффициента Пуассона ,формы подошвы и жесткости фундамента, определяется по таблице 2.1;

B - ширина подошвы фундамента, м;

_о - средний коэффициент относительной сжимаемости грунта,

Р_o - дополнительное (уплотняющее) давление по подошве

фундамента, кПа.

В расчетной схеме сжимаемую толщу грунта, которая оказывает влияние на осадку фундамента, принимают равной двум мощностям эквивалентного слоя H = 2 h_э,а распределение дополнительных давлений - по закону треугольника (рисунок 2.1).

Коэффициент относительной сжимаемости в пределах эквивалентного слоя определяется осредненно по формуле

, (2.3)

где n - число слоев грунта в пределах активной зоны;

h_i - мощность i -го слоя грунта, м;

Метод эквивалентного слоя дает возможность прогнозировать затухание осадки во времени на основе теория фильтрационной консолидации.

По фильтрационной теории консолидации осадка полностью водонасыщенных грунтов за время t определяется по формуле

фундамент осадка грунт

S_t = U·S,

где U - степень уплотнения (степень консолидации);

S - величина конечной (стабилизированной) осадки, см, определяемой по формуле (2.1).

Значение U изменяется от 0 до I и определяется из решения дифференциальных уравнений в зависимости от схемы распределения давлений в уплотняющемся слое.

Так, для равномерно распределенных давлений

U = (2.5)

где e - основание натуральных логарифмов;

N - коэффициент, зависящий от физических свойств грунта, условий консолидации и времени

(2.6)

где t - время уплотнения от начала загружения, года;

h - путь фильтрации воды, м;

C_v - коэффициент консолидации, м²/год, равный

Cv = Kф / (ow), (2.7)

где K_ф - средний коэффициент фильтрация грунта, м/год;

_o- средний коэффициент относительной сжимаемости грунта, кПа^-1:

w - удельный вес воды, кН/м.

При слоистом напластовании грунтов ниже подошвы фундамента производят замену слоистого напластования условным однородным грунтом, обладающим средними характеристиками. Средний коэффициент относительной сжимаемости определяется по формуле (2.3), а средний коэффициент фильтрации грунта по формуле (2.8):

^K_ф ⁼ _, (2.8)

где H - мощность активной зоны грунта, м;

hi - толщина i - го слоя грунта, м, находящегося в пределах активной зоны;

K_i - коэффициент фильтрации i -го слоя грунта в пределах активной зоны, м/год.

Возможны три основных случая распределения давлений в уплотняющемся слое:

- случай 0 - прямоугольная эпюра давлений;

- случай I - треугольная эпюра с вершиной вверху (при уплотнении от собственного веса);

- случаи 2 - треугольная эпюра с вершиной внизу (при местной нагрузке).

Метод эквивалентного слоя дает возможность прогнозировать затухание осадки во времени на основе теория фильтрационной консолидации.

По фильтрационной теории консолидации осадка полностью водонасыщенных грунтов за время t определяется по формуле

S_t = U·S,

где U - степень уплотнения (степень консолидации);

S - величина конечной (стабилизированной) осадки, см, определяемой по формуле (2.1).

Значение U изменяется от 0 до I и определяется из решения дифференциальных уравнений в зависимости от схемы распределения давлений в уплотняющемся слое.

Так, для равномерно распределенных давлений

U = (2.5)

где e - основание натуральных логарифмов;

N - коэффициент, зависящий от физических свойств грунта, условий консолидации и времени

(2.6)

где t - время уплотнения от начала загружения, года;

h - путь фильтрации воды, м;

C_v - коэффициент консолидации, м²/год, равный

Cv = Kф / (ow), (2.7)

где K_ф - средний коэффициент фильтрация грунта, м/год;

_o- средний коэффициент относительной сжимаемости грунта, кПа^-1:

w - удельный вес воды, кН/м.

При слоистом напластовании грунтов ниже подошвы фундамента производят замену слоистого напластования условным однородным грунтом, обладающим средними характеристиками. Средний коэффициент относительной сжимаемости определяется по формуле (2.3), а средний коэффициент фильтрации грунта по формуле (2.8):

^K_ф ⁼ _, (2.8)

где H - мощность активной зоны грунта, м;

hi - толщина i - го слоя грунта, м, находящегося в пределах активной зоны;

K_i - коэффициент фильтрации i -го слоя грунта в пределах активной зоны, м/год.

Возможны три основных случая распределения давлений в уплотняющемся слое:

- случай 0 - прямоугольная эпюра давлений;

- случай I - треугольная эпюра с вершиной вверху (при уплотнении от собственного веса);

- случаи 2 - треугольная эпюра с вершиной внизу (при местной нагрузке).

Пример

Определить затухание осадки ленточного фундамента шириной B = 1,4 м. Дополнительное давление в уровне подошвы фундамента у_zрo = 240 кПа. Грунтовые условия - см. рисунок 2.I.

Решение

В основании фундамента преобладают пески, поэтому по таблице 3.1 при = 0,2 определяем при соотношении сторон /B > 10 коэффициент эквивалентного слоя A_w = 2,4.

Найдем по формуле (2.2) мощность эквивалентного слоя

h_э = 2,4.1,4 = 3,36 м.

Высота сжимаемой толщи, влияющая на осадку фундамента, для слоистого основания составит

Н = 2^.3,36 = 6,72 м.

Найдем значения коэффициентов относительной сжимаемости для каждого слоя грунта сжимаемой толщи по формуле (2.10):

, (2.10)

где - коэффициент сжимаемости слоя;

e - коэффициент пористости слоя.

Для первого слоя - супеси:

б_o1 = 0,0000774 / (1 + 0,72) = 0,000045 (кПа)^-1;

для второго слоя - мелкого песка:

б_o2 = 0,0000419 / (1 + 0,61) = 0,000026 (кПа)^-1;

для третьего слоя - песка средней крупности:

б_o3 = 0,0000314 / (1 + 0,57) = 0,00002 (кПа)^-1;

для четвертого слоя - суглинка:

б_o4 = 0,0000774 / (1 + 0,72) = 0,000045 (кПа)^-1;

Рисунок 2.1 - Схема к расчету затухания осадки во времени

Рисунок 2.2 - График затухания осадок во времени

Определим средний коэффициент относительной сжимаемости по формуле (2.3):

o ⁼⁺

+ (кПа)^-1

Полная осадка фундамента по формуле (2.1) составит

S = 3,36. 240,6. 0,000036 = 0,0291 = 2,91 см,

что удовлетворяет требованиям расчета по второй группе предельных состояний:

S = 2,91 см < S_u = 10 см.

Расчетная схема для определения затухания осадки во времени соответствует случаю, когда водопроницаемость грунтов с глубиной уменьшается, т.е. наблюдается односторонняя фильтрация воды вверх. Расчет ведем по случаю 2 (см. таблицу 2.2).

Найдем средний коэффициент фильтрации по формуле (2.8):

K_ф = см/с.

Определим коэффициент консолидации по формуле (2.7):

С_v = см²/с.

Для того, чтобы показатель времени Т имел наименьшее численное значение для упрощения вычислений размерность С_vпереведем в см²/год.

Тогда С_v = см²/год.

По формуле (3.9) определим показатель времени Т;

T = года

Вычисления представим в табличной форме (таблица 2.3), пользуясь данными таблицы 2.2 (случай 2).

Используя полученные данные, построим зависимость осадки от времени (рисунок 2.2).

Таблица 2.3 - Вычисления затухания осадки во времени

U	N2	t = T*N2,год	St = U*S,см
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0.7 0,8 0,9 0,95	0 0,005 0,02 0,06 0,13 0,24 0,42 0,69 1,08 1,77 2,54	0 0,0019 0,0076 0,0228 0,0494 0,0912 0,1596 0,2622 0,4104 0,6726 0,9652	0 0,291 0,582 0,873 1,164 1,455 1,746 2,037 2,328 2,616 2,76

3. Общие сведения о фундаментах глубокого заложения. Опускные колодцы и кессоны

Опускной колодец представляет собой оболочку, погружаемую в грунт путем удаления его из-под оболочки и из ограничиваемого ею пространства. В большинстве случаев в процессе погружения оболочка остается открытой сверху, и разработки грунта ведется при атмосферном давлении. В условиях значительного притока грунтовых вод на некоторой глубине опускной колодец может быть снабжен воздухонепроницаемым покрытием и таким образом превращен в кессон, если это экономически оправдано.

Опускные колодцы применяются для устройства опор глубокого заложения, насосных станций, подземных резервуаров и т. п. в тех случаях, когда выполнение работ по возведению этих сооружений в открытом котловане экономически нецелесообразно. Опускные колодцы условно можно разделить по их назначению: колодцы-опоры, колодцы-емкости, колодцы-помещения.

Практически колодец может отвечать двум, а иногда и всем грем указанным назначениям.

Внутреннее пространство колодца, если он служит опорой, может быть заполнено кладкой или хорошо дренирующими материалами или оставаться незаполненным. Оно может быть разделено по всей высоте колодца или его части перегородками на отдельные камеры. Таким образом, колодцы бывают без перегородок и многоячейковые -- разделенные на отдельные камеры.

Основной частью опускного колодца является оболочка, которая включает наружные стены, снабженные внизу скошенной ножевой частью, и перегородки, обычно не имеющие ножевой части.

После окончания погружения оболочки в грунт устраивается днище колодца. Выбор конструкции днища зависит от назначения колодца. В тех случаях, когда не требуется увеличения площади опирания колодца на грунт, днище может отсутствовать.

В состав конструкции колодцев, используемых как емкости или помещения, могут быть включены также покрытия, перекрытия, специальные устройства для установки оборудования и т. п.

Колодцы могут быть каменные (из кирпичной или бутовой кладки), бетонные или бутобетонные, железобетонные, деревянные или деревобетонные, а также стальные.

В настоящей главе рассматриваются бетонные и железобетонные опускные колодцы. Они имеют ряд преимуществ по сравнению с опускными колодцами из других материалов, а именно:

а) бетонные и железобетонные колодцы обладают значительной прочностью и жесткостью и потому хорошо работают при перекосах, защемлении и т. п., когда в одном и том же сечении колодца возникают усилия разных знаков, при этом им может быть придана любая форма в плане и вертикальном разрезе;

б) они обычно обладают собственным весом, достаточным для преодоления сил трения грунта по боковой поверхности колодца; при погружении же стальных и деревянных колодцев для этого необходим специальный груз.

Кессонный метод возведения фундаментов глубокого заложения применяют в тех случаях, когда наблюдается значительный приток воды и осложняются работы по осушению а также когда грунты содержат крупные включения твердых пород. Кессоны применяют в непосредственной близости от сооружений, когда есть опасность выпора грунта из-под их подошвы.

Кессон состоит из кессонной камеры, подкессонного строения и шлюзового устройства. Кессонную камеру обычно делают из железобетона. Стенки камеры заканчиваются ножом. Высота камеры от банкетки до потолка принимается не менее 2,2 м. В потолке камеры предусмотрено отверстие для установки шахтной трубы. Надкессонное строение чаще всего выполняют в виде сплошного массива из монолитного бетона или железобетона. Для опускания и подъема людей и выполнения грузоподъемных операций предусматривается шлюзовой аппарат, который соединен с кессонной камерой шахтными трубами. Сверху кессон оснащен подъемным механизмом. Для подачи сжатого воздуха монтируются трубопроводы из двух ниток: рабочей и резервной. Для обеспечения сжатым воздухом монтируется компрессорная.

Сущность метода заключается в том, что во время погружения кессона в кессонную камеру нагнетается сжатый воздух, предотвращающий поступление в камеру подземных вод и наплывов грунта. Разработку грунта ведут в осушенном пространстве камеры.

При больших сосредоточенных нагрузках, когда устройство ФМЗ в котловане невыполнимо или невыгодно, а сваи не обеспечивают необходимой НС, а также при строительстве тяжелых и чувствительных к неравномерным осадкам сооружений (массивные кузнечные молоты, крупные прессы, зданий и насосных станций и водозаборов, опоры мостов, заглубленные и подземные сооружения - гаражи, склады, емкости, глубокие колодцы и т.п.) стремятся передавать нагрузки на скальные или полускальные основания, т.е. малосжимаемые грунты. В ряде случаев при этом приходится прорезать значительную (несколько десятков метров) толщу слабых водонасыщенных грунтов.

Для этого прибегают к устройству ФГЗ. Их разделяют на следующие виды:

- Опускные колодцы;

- Кессоны;

- Тонкостенные оболочки;

- Буровые опоры и фундаменты, возводимые методом «Стена в грунте»

Источники и литература

1. Берлинов М.В. Основания и фундаменты: Учебик. 4-е изд., испр. - СПб.: Изд. «Лань», 2011. - 320 с.: ил.

2. Кириллов В.С. Учебник для автомобильно-дорожных вузов. / Изд. «Транспорт». - М., 1980 - 392 с.

3. https://studopedia.ru

4. https://studfiles.net

Размещено на Allbest.ru