Способ повышения несущей способности ленточных и столбчатых фундаментов

Предлагаемое изобретение относится к строительству, в частности к строительству и эксплуатации сооружений на столбчатых и ленточных фундаментах на сильно сжимаемом и неоднородном основании. Способ повышения несущей способности ленточных и столбчатых фундаментов, характеризующийся тем, что фундамент загружают монотонно возрастающими распределенными нормальными усилиями, измеряют давление на грунт и перемещения фундамента, строят кривые деформирования, после достижения предельно допустимых норм нагрузок снимают их и наращивают фундамент до проектного уровня. Технический результат состоит в повышении несущей способности фундамента за счет перераспределения напряжения в подошве фундамента. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к строительству, в частности к строительству и эксплуатации сооружений на столбчатых и ленточных фундаментах на сильно сжимаемом и неоднородном основании.

Известен способ строительства на неравномерно сжимаемом основании на столбчатом или ленточном фундаменте, включающий подготовку котлована и образование фундамента (Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции: Общий курс. Учебник для ВУЗов. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат. - 1991).

Недостатком указанного способа является трудность обеспечения равномерности осадок по всей площади фундамента в период строительства и при его эксплуатации, обусловленная неоднородностью грунтового основания, а также излишний расход железобетона для уменьшения и выравнивания неравномерных осадок и обеспечения заданной несущей способности.

Наиболее близкий аналог, соответствующий родовому понятию заявляемого изобретения, не выявлен.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в расширении диапазона нагрузок на фундамент в области допустимых осадок в период строительства и при его эксплуатации за счет изменения характеристик грунтового основания его предварительным обжатием.

Поставленная задача решается следующим образом. Способ повышения несущей способности фундамента характеризуется тем, что фундамент загружают монотонно возрастающими распределенными нормальными усилиями, измеряют давление на грунт и перемещения фундамента, строят кривые деформирования, после достижения предельно допустимых норм нагрузок снимают нагрузку и наращивают фундамент до проектного уровня. Приложение монотонно возрастающих распределенных нормальных усилий обеспечивает уплотнение грунта и перераспределение нагрузки по подошве фундамента и вглубь основания, повышая его несущую способность и снижая осадки в период строительства и эксплуатации до упругой их части.

Для ленточных фундаментов целесообразно загружение осуществлять на отдельных фундаментных подушках, которые после снятия нагрузок объединяют железобетонным поясом.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - внедрение плоского штампа в твердый материал до нагрузок, при которых возникают линии скольжения, на фиг.2, 3 - касательные напряжения в полупространстве от действия распределенной нагрузки Р для двух размеров штампа, на фиг.4 представлена зависимость между деформациями и давлением при возрастании нагрузки на грунт через жесткий штамп.

Экспериментальные исследования показали, что при внедрении под штампом образуется слабодеформированная зона, которая с возрастанием внедрения увеличивает объем деформированного материала, размеры линий скольжения и их количество (фиг.1). Линии скольжения располагаются по кривым, близким к логарифмическим, следуя распределению максимальных касательных напряжений, и способствуют перетеканию материала из зон повышенной прочности в ослабленные зоны, выравнивая тем самым нагрузки на грунт. Область деформированного материала и количество сдвиговых линий скольжения, формирующих ядро уплотнения, увеличивается с увеличением размеров штампа.

Известные эпюры линий равных касательных напряжений, возникающих под штампами двух размеров при одном и том же давлении Р, показаны на фиг.2, 3. Для плоского штампа большего размера одинаковые касательные напряжения, как и нормальные, возникают на большей глубине и захватывают в целом больший объем грунта, чем при использовании штампа меньшего размера. Другими словами, влияние площади загрузки может быть сформулировано следующим образом: внешнее давление тем слабее уменьшается с глубиной, чем больше площадь загрузки. Это факт имеет существенное значение при реализации предлагаемого способа. Для оценки несущей способности грунта были проведены экспериментальные исследования, которые заключались в следующем. Подготовили две горизонтальные площадки одного и того же размера в одинаковом грунте. На одной из площадок путем последовательного внедрения (16 загружений) гладкого квадратного штампа с размерами стороны O₁О₂=15 см (фиг.2) распределенным давлением Р была образована вдавленная поверхность грунта в форме квадрата со стороной 60 см.

На другой площадке квадратный штамп с размером, равным площади вдавленной поверхности на первой площадке (сторона 60 см), внедрялся тем же давлением Р (фиг.3). Загружение осуществлялось до предельно допустимых давлений этого грунта Р*=3,5 кГ/см² и в том, и в другом случаях.

На предварительно загруженных таким образом двух поверхностях затем проводились испытания прочности грунтов путем повторного загружения грунтов до тех же нагрузок с записью диаграмм в координатах давление Р - внедрение S, только теперь уже большим штампом и в том, и в другом случаях. Отсчет перемещений осуществлялся за вычетом тех остаточных деформаций, которые возникли при первом загружении. Оказалось, что котлован, первоначально образованный большим штампом, вплоть до предельных нагрузок ведет себя упруго, тогда как во втором котловане при повторном загружении наряду с упругими деформациями возникают пластические. Это означает, что при загружении в процессе строительства и эксплуатации такого фундамента неизбежно возникнет дополнительная осадка.

Пусть на поверхность грунтового основания через штамп прикладывается известная возрастающая нагрузка и измеряются при этом соответствующие осадки штампа. Типичная кривая зависимости между деформациями и давлением на грунт представлена на фиг.4. Допустим, что с возрастанием давлений напряженное состояние грунта проходит первую фазу уплотнения (точка P₁ на фиг.4), затем допустимое значение R, а при максимальном давлении Р₀ оно заходит и во вторую фазу - в область пластических деформаций, характеризуя предельное состояние с учетом коэффициента надежности (начало фазы сдвигов). Из представленной зависимости видно, что при максимальном давлении возникают уже значительные суммарные осадки, величина которых может превосходить допустимые.

Таким образом, при первом загружении всегда возникают необратимые остаточные смещения S_ост, которые могут быть как за счет уплотнения на первой фазе, так и дополнительно за счет пластического течения во второй фазе сдвигов, если диапазон нагрузок, как в нашем примере, заходит в область пластических деформаций (нелинейный участок зависимости на фиг.4).

Пластические деформации могут быть уменьшены либо сведены к нулю за счет снижения давления на фунт при использовании штампа большей площади загрузки. Однако эта мера ведет к удорожанию, поскольку сопряжена с увеличением затрат на изготовление соответствующей конструкции.

В заявляемом способе предлагается использовать штамп, осадки которого при предельной нагрузке захватывают область пластических деформаций и могут даже превосходить допустимые. Суть его заключается в том, что после первой загрузки вся система затем разгружается. Возникшие после разгрузки остаточные смещения компенсируют наращиванием высоты фундамента до проектного уровня дополнительным слоем. При повторной загрузке (в процессе строительства и эксплуатации сооружения) грунтовое основание вплоть до предельных нагрузок деформируется упруго при минимальных осадках и перекосах, не выходя за пределы допустимых норм.

Предлагаемый способ был разработан на основании данных проведенных исследований. Отметим, что всякого рода ударные нагрузки в предлагаемом способе неприемлемы, поскольку невозможна мгновенная передача давления на скелет грунта, а его деформируемость, как известно, зависит от времени действия нагрузки вследствие явления ползучести. Наряду с этим задавливание статической нагрузкой обеспечивает возможность контроля и оперативной корректировки возникающих перекосов, а также исключение динамических проявлений, таких как инерционные эффекты. Способ осуществляется при использовании машин, в которых развиваются большие тяговые усилия, например, появившихся в последнее время машин для статического задавливания свай.

Способ осуществляется следующим образом.

Загружают фундамент монотонно возрастающими распределенными нормальными усилиями. Измеряют давление на грунт и перемещения фундамента. На основании полученных данных строят кривые деформирования. После достижения предельно допустимых норм нагрузок снимают нагрузку и наращивают фундамент до проектного уровня.

В ленточных фундаментах загружение осуществляют отдельными фундаментными подушками, которые после снятия нагрузок объединяют железобетонным поясом.

Пример конкретного выполнения предлагаемого способа.

Фундамент загружали монотонно возрастающими распределенными нормальными усилиями. При помощи геодезических приборов определяли перемещение фундамента и измеряли соответствующие этим перемещениям значения давлений на грунт. На основании полученных данных строились кривые деформирования. В начальный момент загружения распределение нагрузки под подошвой фундамента происходит неравномерно и на кривых деформирования имеется разброс данных. При дальнейшем нагружении за счет пластических деформаций, в том числе по линиям скольжения, происходит перетекание материала в ослабленные зоны и выравнивание давления под подошвой фундамента. Грунтовое основание представляло собой слабый водонасыщенный грунт (суглинок). Загружение фундаментной плиты проводилось до предельно допустимой нагрузки этого грунта, равной 3,5 кГ/см². Величина общей осадки при этом составила 25 см, из них приблизительно одну треть составили упругие деформации. Оставшиеся две трети - необратимые деформации, которые компенсировались наращиванием высоты фундамента до проектного уровня.

Таким образом, предлагаемая последовательность операций обеспечивает уплотнение грунта и перераспределение напряжений по подошве фундамента и в глубь основания, повышая тем самым несущую способность фундамента.

Реализация предлагаемого способа стала возможна лишь с появлением в последние годы машин, способных создавать большие статические усилия, например, машин для статического задавливания в грунт свай без использования ударного нагружения. Развиваемые ими усилия могут достигать до 100 тонн.

1. Способ повышения несущей способности ленточных и столбчатых фундаментов, характеризующийся тем, что фундамент загружают монотонно возрастающими распределенными нормальными усилиями, измеряют давление на грунт и перемещения фундамента, строят кривые деформирования, после достижения предельно допустимых норм нагрузок снимают их и наращивают фундамент до проектного уровня.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что устанавливают на грунт фундаментные подушки, которые загружают монотонно возрастающими распределенными нормальными усилиями, а после снятия нагрузок объединяют железобетонным поясом.