Деформации грунтов и расчет осадок оснований сооружений

5.1. Теоретические основы расчета стабилизированных деформаций оснований.

5.1.1. Постановка задачи

Расчетные схемы к задаче определения конечной стабилизированной осадки основания от действия нагрузки, передаваемой на грунты через подошву фундамента, представлены на рис. 5.1.

Осадку поверхности основания в уровне подошвы фундамента будет вызывать не полное давление р(х), возникшее после строительства, а приращение давления, равное р(х)-q. Где q=γd – природное давление на глубине заложения фундамента.

Прогиб поверхности основания будет иметь криволинейное очертание, которое зависит от жесткости фундамента. Для абсолютно жестких фундаментов характер осадок поверхности будет соответствовать пунктирным линиям на рис.5.1

При практических расчётах прибегают к упрощению задачи.

Для центрально нагруженных фундаментов определяется максимальная осадка s по оси z, которая принимается как величина совместной деформации основания и фундамента.

Для внецентренно нагруженных фундаментов определяется величина средней осадки и крена подошвы фундамента.

Различают две группы методов расчёта осадок: основанные на строгих решениях и дополнительных упрощающих предпосылках (приближенные решения).

5.1.2. Определение осадок линейно-деформируемого полупространства или слоя грунта ограниченной мощности

Используются строгие решения о распределении напряжений в однородном изотропном массиве грунтов от нагрузок, приложенных на его поверхности. Зависимость между осадкой подошвы центрально-нагруженного фундамента s, площадью фундамента A=bl, и средним значением дополнительного давления p₀=p-γdимеет вид:

,

(1)

где ω – коэф., зависит от формы площади и жесткости фундамента, ν, Е – коэф. Пуассона и модуль деформации грунта основания.

Данное решение применимо только для однородного напластования грунтов на значительную глубину ниже подошвы фундамента. Не учитывается изменение природного напряженного состояния грунтов основания с глубиной, при значительных размерах фундаментов расчётные значения осадок завышенные. Решение используется при небольших размерах фундаментов на однородных основаниях и для определения модуля деформации по данным опытов с пробной нагрузкой.

5.1.3. Основные предпосылки приближенных методов расчёта осадок

Осадка грунта происходит только в пределах глубины сжимаемой толщи Н_с. Осадка основания происходит только за счёт сжатия столба грунта, непосредственно находящегося под подошвой фундамента (рис. 5.2, а). Сжатие каждого элементарного слоя мощностью Δz вызывается равномерно распределенной на его поверхности нагрузкой равной максимальному значению σ_zp, действующему по оси z.

Определив величину сжатия каждого элементарного слоя грунта в пределах сжимаемой толщи основания и просуммировав эти величины, получим общую осадку основания фундамента. Такой подход к решению задачи называют методом послойного (элементарного) суммирования.

Возможны два расчётных случая: сжатие элементарного слоя без бокового расширения (рис. 5.2, б); сжатие элементарного слоя с возможностью бокового расширения (рис. 5.2, в).

В первом случае:

ε_x= ε_y=0.

(5.2)

Относительная деформация элементарного слоя:

.

(5.3)

;

Сжатие элементарного слоя

;	(5.4)
.	(5.5)

Для определения деформационных характеристик грунтов используются компрессионные испытания.

Во втором случае:

ε_x= ε_y≠0.

,

(5.6)

где G – модуль сдвига, K – модуль объемной деформации грунта.

Сжатие элементарного слоя для пространственной задачи:

.

(5.7)

Для плоской задачи среднее напряжение определяется по формуле:

.

(5.8)

Для точного определения деформационных характеристик требуется проведение специальных опытов в приборах трехосного сжатия.

5.2. Практические методы расчета конечных деформаций оснований фкндаментов.

5.2.1. Расчёт осадок методом послойного суммирования

Метод послойного суммирования (без учёта возможности бокового расширения грунта) рекомендован СНиП 2.02.01-83*.

На рис. 5.3. представлена расчётная схема метода.

Алгоритм расчёта:

Производится привязка фундамента к инженерно-геологической ситуации основания, т.е. совмещение его оси с литологической колонкой грунтов.

Определяется среднее давление на основание по подошве фундамента р.

Строится эпюра природного давления по оси фундамента.

Определяется дополнительное вертикальное напряжение в плоскости подошвы фундамента: , где - природное давление в уровне подошвы фундамента.

Строится эпюра дополнительных напряжений .

Строится вспомогательная эпюра природного давления 0,2.

Определяют нижнюю границу сжимаемой толщи из условия 0,2=.

Сжимаемую толщу основания разбивают на элементарные слои толщиной h_i так, чтобы в пределах каждого слоя грунт был однородным, h_i принимают не более 0,4b.

Зная дополнительное напряжение в середине каждого элементарного слоя , определяют сжатие этого слоя.

Общая осадка фундамента находится как сумма величин сжатия каждого элементарного слоя в пределах сжимаемой толщи:

(5.9)

где n – число слоёв; h_i – толщина i-го слоя; Е_i и m_ν,i – модуль деформации и коэф. относительной сжимаемости i-го слоя соответственно; β=0,8.

5.2.2. Расчет осадок методом эквивалентного слоя

Эквивалентный слой – это слой грунта толщиной h_э, осадка которого при сплошной нагрузке на поверхности р₀ будет равна осадке грунтового полупространства под воздействием местной нагрузки той же интенсивности.

Осадку слоя грунта толщиной h_э при сплошной нагрузке можно определить из условия одномерного его сжатия без возможности бокового расширения. Тогда осадка всего слоя

(5.10)

Или, используя относительный коэффициент сжимаемости грунтов

(5.11)

Осадка поверхности грунтового полупространства под действием местной нагрузки будет равна:

.

(5.12)

Приравнивая (10) и (11), получим

(5.13)

Или, обозначив , окончательно

(5.14)

Толщина эквивалентного слоя грунта зависит от коэффициента Пуассона ν, коэффициента формы площади и жесткости фундамента ω и его ширины b. Сочетание называется коэффициентом эквивалентного слоя, значения которого для разных грунтов приводятся в таблицах.

Для однородного основания осадка определяется по формуле (10)

Для многослойных оснований требуется определить средневзвешенные характеристики деформируемости грунтов в пределах эквивалентного слоя.

Значение средневзвешенного относительного коэффициента сжимаемости слоистого основания:

(5.15)

Осадка многослойного основания:

(5.16)

 

5.3. Практические методы расчёта осадок оснований фундаментов во времени

Если в основании фундаментов залегают водонасыщенные глинистые грунты, осадка может развиваться в течении длительного периода времени. Временной процесс развития осадок связан с малой скоростью фильтрации воды в глинистых грунтах и обусловленным этим медленным уплотнением водонасыщенных грунтов.

Методы прогноза развития деформаций грунтов во времени основаны на теории фильтрационной консолидации, в основу которой положены следующие предпосылки:

- скелет грунта рассматривается как упругая пористая среда, действует компрессионный закон уплотнения ;

- поровая вода абсолютно несжимаемая;

- отжатие воды из пор грунта подчиняется закону ламинарной фильтрации Дарси ;

- внешняя нагрузка уравновешивается суммой напряжений в скелете грунта (эффективное напряжение) и в поровой воде , т.е. .

Основные расчётные случаи (рис. 5. .).

Случай 0 – одномерное уплотнение слоя грунта под действием сплошной нагрузки.

Случай 1 – сжимающие напряжения увеличиваются с глубиной по закону треугольника. Случай соответствует уплотнению свежеотсыпанного слоя водонасыщенного грунта под действием собственного веса.

Случай 2 - сжимающие напряжения уменьшаются с глубиной по закону треугольника. Случай соответствует виду эпюры дополнительных напряжений по оси фундамента, принятой в методе эквивалентного слоя.