Способ обеспечения эксплуатационной надежности сооружения на набухающем грунтовом основании

Изобретение относится к строительству мелкозаглубленных фундаментов на естественном основании, малозаглубленных ростверков свайных фундаментов и подземных сооружений нормального уровня ответственности на набухающих грунтовых основаниях. Способ обеспечения эксплуатационной надежности сооружения на набухающем грунтовом основании путем определения напряженно-деформированного состояния (НДС) набухающего грунта и фундамента (сооружения) при их взаимодействии с известными значениями распределения вертикальных напряжений в грунте от последних и предполагаемом распределении вертикальных напряжений набухания аналогично напряжениям в грунте от фундамента (сооружения), но имеющие противоположенное направление. Вертикальные напряжения набухания грунта под фундаментом (сооружением), в любой точке, не равны вертикальным напряжениям на грунт от фундамента (сооружения). Количественные их значения для определения (НДС) набухающего грунта и фундамента (сооружения) при их взаимодействии принимают исходя из постоянства суммы абсолютных значений напряжений в грунте от фундамента (сооружения) и набухающего грунта в любой точке по площади подошвы под ними, равных двум значениям среднего напряжения (давления) в грунте от фундамента (сооружения), определяемым по приведенной зависимости. Формула позволяет определить предельно допустимые усилия в конструкциях сооружения и значения деформации грунта основания при его набухании и усадке. Технический результат состоит в обеспечении эксплуатационной надежности сооружения нормального уровня ответственности с минимально необходимыми требованиями к материало-энергоемкости сооружения и безопасного уровня взаимодействия здания на окружающую среду путем определения количественного значения воздействия вертикальных напряжений набухания грунта основания на сооружение по всей площади опирания фундамента. 2 пр., 2 ил.

 

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.

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-pk), 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).

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 (σzpi) и набухания (σzнi) 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]).

Ленточный фундамент на упругом основании нагружен четырьмя сосредоточенными силами p1, p2, p3, и p4 (см. Фиг. 1). Требуется построить эпюру σн при известных значениях распределения σp по длине балки длиной l=10 м; шириной b=1 м; высотой h=0,6 м; гибкостью α=100. Среднее давление под фундаментом pz=(400+500+500+400)/10=180 кПа или 18 тс/м2.

Определяем значения σнz1; σнz2; σнz3 и σнz4:

σнz1=2⋅pzpz1=2⋅180-33,588=2,412 тс/м2;

σнz2=2⋅pzpz2=2⋅180 - 13,946=22,054 тс/м2;

σнz3=2⋅pzpz3=2⋅180 - 13,946=22,054 тс/м2;

σнz4=2⋅pzpz4=2⋅ 180-33,588=2,412 тс/м2.

От основания эпюры σpz откладываем вниз значение 2 pzp=36 тс/м2 и проводим параллельную к ней линию, и соединяем значения σнz1нz4 со значениями σpz1pz4. В результате получаем эпюру распределения напряжений набухания грунта под ленточным фундаментом. Определяем граничные значения равенства σzpi и σzнi. На участке, где σzнi≥σzpi, 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.

На Фиг. 1, в) показан дополнительный изгибающий момент М (σHZ)=11,2 тс⋅м. Из условия равновесия при перемещении фундамента вверх площади эпюры σpz и σнz 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].

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 (σpzi), распределение напряжений набухания (σнzi) и граница участка, где σpziнzi 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.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Фиг. 1, а) показана схема нагрузок на ленточный фундамент шириной 1 м; б) эпюры распределения напряжений σpz и σнz под фундаментом и участок, где напряжения σнzpz; в) эпюры моментов от σpz и σнz - 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.

Способ обеспечения эксплуатационной надежности сооружения на набухающем грунтовом основании путем определения напряженно-деформированного состояния (НДС) набухающего грунта и фундамента (сооружения) при их взаимодействии с известными значениями распределения вертикальных напряжений в грунте от последних и предполагаемом распределении вертикальных напряжений набухания аналогично напряжениям в грунте от фундамента (сооружения), но имеющие противоположенное направление, отличающийся тем, что вертикальные напряжения набухания грунта под фундаментом (сооружением), в любой точке, не равны вертикальным напряжениям на грунт от фундамента (сооружения), а количественные их значения для определения (НДС) набухающего грунта и фундамента (сооружения) при их взаимодействии принимают исходя из постоянства суммы абсолютных значений напряжений в грунте от фундамента (сооружения) и набухающего грунта в любой точке по площади подошвы под ними, равных двум значениям среднего напряжения (давления) в грунте от фундамента (сооружения), определяемым по формуле

pziнzi)=const=2pz;

где σpzi - напряжение в грунте от сооружения на глубине z от низа подошвы фундамента (сооружения) в точке i;

σнzi - напряжение набухания в грунте на глубине z от низа подошвы фундамента (сооружения) в точке i;

pz - среднее давление от внешней нагрузки под фундаментом (сооружением) на глубине z от низа подошвы фундамента; и эта формула позволяет определить предельно допустимые усилия в конструкциях сооружения и значения деформации грунта основания при его набухании и усадке, обеспечивающие надежную эксплуатацию последних при минимально допустимых значениях затрат материальных и финансовых средств.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области инженерно-геологических изысканий для строительства зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах, основания которых используются для строительства зданий в оттаянном или оттаивающем состоянии.

Изобретение относится к области инженерных изысканий. В способе определения границ пластичности грунтов, заключающемся в определении удельного сопротивления одного образца грунта, имеющего известные значения показателей wm и kw линейной зависимости влажности грунта на границе текучести от числа пластичности WL=wm+kw⋅Iр, при степени влажности 0,97-0,98, погружению конусного индентора с углом 30° при вершине и определении по формулам влажности грунта на границе текучести и на границе раскатывания, образец грунта помещают в цилиндрическую камеру диаметром не менее 60 мм и высотой не менее 45 мм и размещают соосно вершине конуса индентора, а погружение конусного индентора производят с постоянной скоростью, равной 120 мм/мин, на глубину до 35 мм и с регистрацией величины сопротивления грунта через каждые 0,01 мм погружения конусного индентора с дискретностью не более 2,0 Н, при этом в полученном массиве значений сопротивления образца грунта погружению конусного индентора выделяют диапазон инвариантных значений сопротивления грунта погружению конусного индентора из заданного соотношения, а определение влажности грунта на границе текучести и на границе раскатывания производят на основании заданных расчетных зависимостей.

Изобретение относится к области строительства и предназначено для определения количества выработок, осадок и кренов зданий при проведении инженерно-геологических изысканий.

Изобретение относится к исследованию деформационных и прочностных свойств грунтов при инженерно-геологических изысканиях в строительстве. Способ включает деформирование образца грунта природного или нарушенного сложения в условиях трехосного осесимметричного гидростатического и последующего девиаторного нагружения, дающих возможность ограниченного бокового расширения образца грунта, близкого к реальным условиям, затем после установления условной стабилизации при статическом режиме достижением скорости деформирования образца, соответствующей условной стабилизации деформации образца на данной ступени деформирования, переходят поочередно на следующие ступени испытания, а по окончании испытаний, по конечным результатам, полученным на каждой из ступеней испытания, строят график зависимости относительной осевой деформации от осевых напряжений и определяют искомые характеристики грунта, причем после стабилизации деформаций гидростатического нагружения выполняют контролируемое девиаторное нагружение, первая часть которого - дозированное кинематическое нагружение с управляемой скоростью деформации и ограничением по приращению осевых напряжений, а вторая часть - стабилизация напряженно-деформированного состояния образца в режиме ползучести - релаксации напряжений по условной стабилизации модуля общей деформации, многократно повторяя нагружения и стабилизацию до достижения предельного напряженного состояния, а далее продолжают (при необходимости) только кинематическое нагружение до величины предельной относительной осевой деформации.

Изобретение относится к области «Физики материального контактного взаимодействия», конкретно к способу определения несущей способности и устойчивости связной среды, предельно нагруженной давлением перед разрушением.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при исследовании деформационных свойств несвязного дисперсного грунта при устройстве оснований зданий и сооружений из несвязного дисперсного грунта с требуемыми деформационными свойствами.

Изобретение относится к инженерным изысканиям в строительстве, а именно применяется при определении прочностных характеристик грунтов, требуемых для проектирования фундаментов сооружений.

Изобретение относится к строительству и предназначено для определения сопротивлений грунта под нижним концом и по боковой поверхности микросваи в начальный момент нагружения и в течение времени консолидации грунтового основания при перераспределении (релаксации) нормальных и касательных напряжений.

Изобретение относится к транспорту углеводородов в нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано при эксплуатации трубопроводов, расположенных в местах с возможными оползневыми явлениями, для принятия своевременных мер по их защите от разрушения при перемещениях грунтовых масс, вызванных нарушением весового баланса в результате сезонного оттаивания, насыщения грунта или иными причинами.

Группа изобретений относится к установке и устройству для испытания грунтов методом статического зондирования. Установка для статического зондирования грунтов, расположенная внутри кузова-фургона, выполненного утепленным и установленного на платформе шасси самоходного транспортного средства, снабженного гидравлическими опорами, содержит устройство статического зондирования, пульт управления, связанный с устройством статического зондирования, набор рабочих штанг, гидросистему.

Изобретение относится к способам контроля целостности железобетонных гидротехнических резервуаров с помощью волоконно-оптической контрольно-измерительной аппаратуры и предназначено для определения местоположения повреждений в днище бассейнов суточного регулирования и контроля протечек через них. Способ определения местоположения повреждений и их контроль в днище бассейна суточного регулирования включает прокладку волоконно-оптического датчика 6 по всей площади бассейна суточного регулирования с шагом 3-5 м, отсыпку слоя крупнозернистого материала под днищем 5 бассейна суточного регулирования, устройство подземной дренажной галереи 10, примыкающей снаружи к бассейну суточного регулирования, поперечную разуклонку iпоп основания 1 выполняют от оси бассейна суточного регулирования к его краям, затем слой крупнозернистого материала, например щебня 2, покрывают геосинтетическим фильтрующим материалом 3, например дорнитом, для исключения суффозии/выноса песка 4 потоком воды, и отсыпают на него дополнительный слой из песка 4 для формирования купола растекания, получаемого протечками через днище 5 бассейна суточного регулирования, подключают волоконно-оптический датчик 6 к считывающему трансиверу, определяющему место повреждений и величину протечек. Продольную разуклонку iпрод основания 1 можно выполнять вдоль оси бассейна суточного регулирования величиной 0,010-0,035. Поперечные ребра, например железобетонные буртики, можно устанавливать по всей площади основания 1 с шагом 3-5 м для создания регулярных локальных зон контроля протечек. Волоконно-оптический датчик 6 можно прокладывать с верховой стороны железобетонных буртиков непрерывно по всем локальным зонам контроля протечек. Технический результат состоит в определении мест повреждений в днище бассейнов суточного регулирования, количественной оценке объема протечек через повреждения, снижении сроков и затрат на их обнаружение и устранение, и увеличении сроков эксплуатации бассейнов. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области строительства, а именно к способам проведения геомеханических изысканий для определения механических свойств грунтов. Способ определения параметров прочности грунта методом вращательного среза включает задавливание в забой скважины лопастной крыльчатки, приложение к ней возрастающего момента, фиксацию максимального крутящего момента, приводящего к повороту крыльчатки за счет среза грунта по образовавшейся цилиндрической поверхности, и определение по величине крутящего момента параметра прочности грунта. Погружаемая в грунт крыльчатка имеет криволинейные в поперечном сечении лопасти, изогнутые в одном направлении кручения. Крутящий момент прикладывают сначала в одном направлении (по часовой стрелке), после чего крыльчатку погружают вторично на большую глубину или в соседнюю близко расположенную в плане скважину и прикладывают крутящий момент в другом направлении (против часовой стрелки). Определяют максимальные крутящие моменты при кручении в разных направлениях, а об угле внутреннего трения и удельном сцеплении грунта судят по величине полученных максимальных крутящих моментов при кручении в разных направлениях. Технический результат состоит в повышении диапазона измеряемых параметров, повышении технологичности, снижении материалоемкости и времени измерения, повышении точности измерения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к строительству мелкозаглубленных фундаментов на естественном основании, малозаглубленных ростверков свайных фундаментов и подземных сооружений нормального уровня ответственности на набухающих грунтовых основаниях. Способ обеспечения эксплуатационной надежности сооружения на набухающем грунтовом основании путем определения напряженно-деформированного состояния набухающего грунта и фундамента при их взаимодействии с известными значениями распределения вертикальных напряжений в грунте от последних и предполагаемом распределении вертикальных напряжений набухания аналогично напряжениям в грунте от фундамента, но имеющие противоположенное направление. Вертикальные напряжения набухания грунта под фундаментом, в любой точке, не равны вертикальным напряжениям на грунт от фундамента. Количественные их значения для определения набухающего грунта и фундамента при их взаимодействии принимают исходя из постоянства суммы абсолютных значений напряжений в грунте от фундамента и набухающего грунта в любой точке по площади подошвы под ними, равных двум значениям среднего напряжения в грунте от фундамента, определяемым по приведенной зависимости. Формула позволяет определить предельно допустимые усилия в конструкциях сооружения и значения деформации грунта основания при его набухании и усадке. Технический результат состоит в обеспечении эксплуатационной надежности сооружения нормального уровня ответственности с минимально необходимыми требованиями к материало-энергоемкости сооружения и безопасного уровня взаимодействия здания на окружающую среду путем определения количественного значения воздействия вертикальных напряжений набухания грунта основания на сооружение по всей площади опирания фундамента. 2 пр., 2 ил.

Наверх