Анализ напряженного состояния под подошвой фундаментов. Исследование состояния грунтов под подошвой фундаментов с помощью современных экспресс-методов

Чтобы рассчитать осадку фундамента и проверить прочность (несущую способность) основания, нужно знать распределение напряжений в основании, т. е. его напряженное состояние. Необходимо иметь сведения о распределении напряжений не только по подошве фундамента, но и ниже нее, так как осадка фундамента является следствием деформации толщи грунта, расположенной под ним. Для расчета несущей способности основания также приходится определять напряжения в грунте ниже подошвы фундамента. Без этого нельзя установить наличие и размеры областей сдвигов, проверить прочность прослойки слабого грунта и т. д.

Для теоретического определения напряжений в основании используют, как правило, решения теории упругости, полученные для линейно деформируемого однородного тела. В действительности грунт не является ни линейно деформируемым, телом, так как деформации его не прямо пропорциональны давлению, ни однородным телом, так как плотность его меняется с глубиной. Однако эти два обстоятельства не сказываются существенно на распределении напряжений в основании.

В данной главе рассматриваются не все вопросы напряженного состояния оснований, а только методика определения нормальных напряжений, действующих в грунте по горизонтальным площадкам.

§ 12. Распределение напряжений по подошве фундамента

В мостовом и гидротехническом строительстве, как правило, применяют жесткие фундаменты, деформациями которых можно пренебречь, поскольку они малы по сравнению с перемещениями, связанными с осадкой.

Измерения нормальных напряжений (давлений) по подошве фундамента, выполненные с помощью специальных приборов, вмонтированных на уровне подошвы, показали, что эти напряжения распределены по криволинейному закону, зависящему от формы и размеров фундамента в плане, свойств грунта, среднего давления на основание и других факторов.

Рис. 2.1. Фактическая и теоретическая эпюры нормальных напряжений по подошве фундамента

В качестве примера на рис. 2.1 сплошной линией показано фактическое распределение нормальных напряжений (эпюра нормальных напряжений) по подошве фундамента, когда нагрузка (сила N) значительно меньше несущей способности основания, а пунктиром - распределение напряжений, полученное на основе решений теории упругости.

В настоящее время, несмотря на накопленный экспериментальный материал и теоретические исследования, не представляется возможным устанавливать в каждом конкретном случае действительное распределение давлений по подошве фундамента. В связи с этим в практических расчетах исходят из прямолинейных эпюр давлений.

Рис. 2.2. Прямолинейные эпюры нормальных напряжений по подошве фундамента а - при центральном сжатии; б- при внецентренном сжатии и e W/A

При центральном сжатии (рис. 2.2, а) напряжения Pm, кПа, по подошве принимают равномерно распределенными и равными:
Pm = N/A, (2.1)
где N - нормальная сила в сечении по подошве фундамента, кН; А - площадь подошвы фундамента, м 2 .

При внецентренном сжатии эпюру напряжений принимают в виде трапеции (рис. 2.2, б) или треугольника (рис. 2.2, в). В первом из этих случаев наибольшее ртах и наименьшее Pmin напряжения определяются выражениями:
Pmax = N/A + M/W;
Pmin = N/A - M/W (2.2)
где M - Ne - изгибающий момент в сечении по подошве фундамента, кН·м (здесь е - эксцентриситет приложения силы N, м); W - момент сопротивления площади подошвы фундамента, м 3 .

Формулы (2.2) справедливы в случаях, когда изгибающий момент действует в вертикальной плоскости, проходящей через главную центральную ось инерции подошвы фундамента.

При подошве фундамента в виде прямоугольника с размером, перпендикулярным плоскости действия момента М, b и другим размером a имеем A = ab и W = ba2/6. Подставляя выражения A и W в формулы (2.2) и учитывая, что M = Ne, получаем:
Pmax =N/ba(1+6e/a)
Pmin=N/ba(1-6e/a) (2.3)
Напряжение Pmin, кПа, вычисленное по формуле (2.2) или (2.3) при эксцентриситете e> W/A, получается отрицательным (растягивающим). Между тем в сечении по подошве фундамента таких напряжений практически быть не может. При е> W/A край подошвы фундамента, более удаленный от силы N, поднимается под действием этой силы над грунтом. На некотором участке подошвы фундамента (со стороны этого края) контакт между фундаментом и грунтом нарушается (происходит так называемое отлипание фундамента от грунта), а потому эпюра напряжений P имеет вид треугольника (см. рис. 2.2, в). Этого обстоятельства формулы (2.2) и (2.3) не учитывают, поэтому ими нельзя пользоваться при е> W/A.

Формулы для определения размера а 1 , м, части подошвы, по которой сохраняется контакт фундамента с грунтом, и наибольшего напряжения Pmax, кПа (см. рис. 2.2, в), можно получить, если учесть, что напряжения P должны уравновесить силу N, кН, действующую на расстоянии с от ближайшего к этой силе края подошвы фундамента.
Отсюда вытекают два условия: 1) центр тяжести эпюры напряжений P расположен на линии действия силы N; 2) объем эпюры равен величине этой силы. Из первого условия при прямоугольной подошве фундамента следует
А1=3с, (2.4)
а из второго
(Pmax а 1 /2)b = N. (2.5)
Из формул (2.4) и (2.5) получаем
Pmax =2N/(3cb). (2.6)
Итак, при эксцентриситете е> W/A = a/6 наибольшее давление по прямоугольной подошве фундамента Pmax следует определять по формуле (2.6).

Характер распределения напряжений по подошве неизвестен, однако должно соблюдаться условие равновесия действующих нагрузок и реактивных напряжений. Поскольку подошва фундамента заглубляется ниже поверхности земли, то боков фундамента будет действовать напряжение q, соответствующее весу слоя грунта и расчетную схему привести к следующей схеме и напряжения от определяются как сумма напряжений от веса грунта, залегающего выше подошвы и дополнительной нагрузки под подошвой фундамента.

Основные задачи расчета напряжений

1.Распределение напряжений по подошве фундаментов, а так же по поверхности взаимодействия конструкций с массивами грунта (контактные напряжения)

2.Распределение напряжений в массиве грунта от действия собственного веса (природного давления)

3.Распределение напряжений в массиве грунта от действия местной нагрузки, соответствующей контактным напряжениям

Критерием оценки жесткости сооружения служит показатель гибкости (по М.И.Горбунову-Посадову)

t≤1 – конструкция считается абсолютно жесткой

Е и Ек – модули деформации грунта основания и материала конструкции

l и h – длина и толщина конструкции

Существенное значение имеет соотношение длины (l) и ширины (b) сооружения: при l/b≥10 распределение контактных напряжений соответствует случаю плоской задачи при l/b<10 - пространственной

Важную роль, при определении контактных напряжений, играет выбор расчетной модели основания и метода решения контактной задачи

Модели основания

Местных упругих деформаций Упругого полупространства

19. Напряжение от собственного веса грунта. Характерные эпюры напряжений для трёх случаев.

Напряжения от собственного веса грунтов формируют начальное поле напряжений, которое постоянно изменяется из-за увеличения или уменьшения грунтовой толщи, тектоническими, сейсмическими воздействиями. Может меняться в период нулевого цикла вследствие выемки грунта.

На практике пользуются упрощенным представлением начальных напряжений и определяются только силами гравитации

Где -Удельный вес грунта

Коэффициент бокового давления грунта в состоянии покоя

1)Вертикальное напряжение от собственного веса грунта для однородного напластования , а эпюра природных напряжений будет иметь вид треугольника

2)При неоднородном напластовании с горизонтальным залеганием слоев эпюра напряжений будет ограничиваться ломаной линией. Наклон каждого отрезка в пределах мощности слоя определяется значением удельного веса грунта этого слоя. Неоднородность может быть обусловлена не только разными характеристиками, но и наличием уровня грунтовых вод. В этом случае

Рассчитываем напряжения, действующие по подошве фундамента, по формулам (4.1) – (4.3). Расчеты представляем в табличной форме (табл. 1).

В табл. 1 γ f = 1,1 – коэффициент надежности по нагрузке к весу стены;

γ f = 1,2 – то же, к активному давлению грунта.

Таблица 1

Нормативная сила, кН	Расчетная сила, кН	Плечо, м	Момент, кНм
G ст = . . (6 – 1,5) . 24 = 175	G ст = 1,1 . 175 = 192,5	0,1	- 19,3
G ф = (1,5 . 3 - . 24 = 103,3	G ф = 1,1 . 103,3 = 113,6	0,05	+ 5,7
Е аг = 267,8	Е аг =1,2 . 267,8 = 321,4	2,4	+ 771,3
Е ав = 51,3	Е ав = 1,2 . 51,3 = 61,6	1,15	- 73,9
Е п = 18,5	Е п = 1 . 18,5 = 18,5	0,5	- 9,3

Масштаб линейный: 1 ¸…..

Масштаб давлений: 1 …..

Рис. 9 Построение Понселе. Пример расчета

Моменты вычисляем относительно осей, проходящих через центр тяжести подошвы фундамента (точка О на рис. 10). Равнодействующие активного и пассивного Е n давлений прикладываем к стене на уровне центра тяжести эпюр интенсивности давления. Вес стены и фундамента – в центре тяжести соответствующего элемента.

Плечи сил допускается брать в масштабе по чертежу или находить аналитически.

Сумма расчетных вертикальных сил N 1 = 192,5 + 113,6 + 61,6 = 367,7 кН.

Сумма моментов расчетных сил М 1 = - 19,3 + 5,7 + 771,3 – 73,9 - 9,3 = 674,5 кНм.

Площадь и момент сопротивления подошвы фундамента стены по формулам (4.4) и (4.5)

А = b . 1 = 3 . 1 = 3 м 2 ;

W = = 1,5 м 3 .

р ср = = = 122,6 кПа;

р ma х = 572,3 кПа, р min = - 327,1 кПа.

Рис. 10. Поперечное сечение стены, силы, действующие на нее, и эпюра напряжений по подошве фундамента

Эпюры напряжений по подошве стены представлены на рис. 10.

Сопоставим найденные напряжения с расчетным сопротивлением:

р ср = 122,6 < = 631,4 кПа;

р m ах = 572,3 < = 757,7 кПа;

р min = - 327,1 < 0

Из трех условий не выполнено последнее, т.е. по задней грани подошвы действуют растягивающие напряжения, что не допускается.

Расчет устойчивости стены против опрокидывания и сдвига по подошве фундамента

Расчет устойчивости против опрокидывания выполняем в соответствии с формулой (4.7). Удерживающие и опрокидывающие моменты вычисляем в табличной форме (табл. 2).

Таблица 2

В табл. 2 моменты вычислены относительно передней грани фундамента стены (точка О 1 на рис. 10), γ f = 0.9- коэффициент надежности по нагрузке к весу стены.

1,38 > = 0,73,

т.е. условие (4.7.) не выполняется.

Расчет устойчивости стенки против сдвига по подошве фундамента выполняется в соответствии с формулой (4.8) с использованием данных

Сдвигающая сила r 1 = Е аг – E п = 321,4 – 18,5 = 302,9 кН.

Удерживающая сила z 1 = Ψ (G c т + G ф + Е ав) = 0,3 . (157,5 + 93 + 61,6) = 93,6 кН.

Здесь Ψ = 0,3 – коэффициент трения кладки по грунту (табл. 8 прил. 2) :

3,24 > = 0,82,

т.е. условие (4.8) не выполняется.

Проверка положения равнодействующей

Расчет М II и N II ведется по формуле (4.9) при коэффициентах надежности по нагрузке = 1 с использованием данных табл. 1.

Эксцентриситет

е 0 = = = 1,68 м;

0,5 м;

3,36 > = 0,8

т.е. и эта проверка не выполняется.

Выполненные проверки показали, что приведенная в задании подпорная стена не отвечает большинству требований, предъявляемых строительными правилами. Стену необходимо перепроектировать. Добиться выполнения требований норм можно несколькими путями:

Увеличить ширину подошвы стены;

Изменить наклон и увеличить шероховатость задней грани стены;

Сделать стену более массивной;

Уменьшить активное давление, заменив засыпку грунтом с большим углом внутреннего трения и т. д.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Задание на выполнение курсовой работы

«Расчет подпорной стены»

Пояснения к выбору задания

Преподаватель выдает студенту шифр задания, состоящий из четырех цифр.

Первая цифра означает вариант размеров стены (табл. 1).

Вторая – вариант характеристик грунта засыпки (табл. 2).

Третья – вариант характеристик грунта, залегающего под подошвой фундамента (табл. 3).

Четвертая – вариант равномерно распределенной нагрузки на поверхности засыпки (табл. 4).

Например, студенту задан шифр 1234. Это значит, что студент по табл. 1 принимает = 1 м; b = 3 м и т. д.; по табл. 2 γ зас = 19 ; φ = 29 град и т.д.; по табл. 3 грунт – песок крупный, γ зас = 19,8 ; ω = 0,1 и т. д. ; по табл. 4 q = 50 кПа.

На рис. 11 приведено поперечное сечение подпорной стены с буквенными обозначениями размеров, значения которых следует брать из табл. 1.

Рис. 11. Поперечное сечение подпорной стены

Исходные данные для выполнения курсовой работы

Таблица 1

Размеры стены

Наименование	Обозна - чения	Размерность	Варианты
Ширина по верху		м		1,2	1,4	1,6	0,8	1,0	1,2	1,4	1,4	1,6
Ширина подошвы	b	м				5,5	2,5	3,5	4,5	5,5	3,5	4,5
Высота	Н	м
Глубина заложения	d	м	1,5		2,5		1,5		2,5		1,5
Наклон задней грани	ε	град							- 2	- 4	-6	-8

Характеристики грунта засыпки

Таблица 2

Наименование

Обозна - чения

Размерность

Варианты

Удельный вес

γ зас

кН/м 3

Угол внутреннего трения

φ

град

Угол трения грунта о заднюю грань стены

град

Наклон поверхности засыпки

град

- 2

- 4

- 6

- 8

- 10

Характеристики грунта под подошвой фундамента cтены

Таблица 3

Наименование	Обозна - чения	Размерность	Варианты
Грунт	-	-	песок мелкий	песок крупный	супесь	суглинок	глина
Удельный вес	γ	кН/м 3	18,5	19,2	19,8	19,0	20,2	20,1	18,3	21,4	21,0	21,8
Влажность		-	0,2	0,23	0,1	0,19	0,2	0,2	0,45	0,16		0,14
Удельный вес твердых частиц	γ s	кН/м 3	26,4	26,6	26,8	26,5	26,7	26,8	26,0	27,3	27,5	27,6
Предел текучести		-	-	-	-	-	0,24	0,24	0,54	0,24	0,33	0,34
Предел раскатывания		-	-	-	-	-	0,19	0,19	0,38	0,14	0,15	0,16

Таблица 4

В задании приводятся только те исходные данные, которые соответствуют шифру, полученному от преподавателя.

Подпорная стена вычерчивается в масштабе в соответствии с заданными размерами.

Задание на проектирование подпорной стены не заменяет титульный лист курсовой работы.

Пример оформления

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Расчет преследует цель определить среднее. Максимальное и минимальное напряжение под подошвой фундамента и сравнить их с расчётным сопротивлением грунта.

Где Р, Р max и Р min - соответственно среднее, максимальное и минимальное давление подошвы фундамента на основание;

N 1 - расчётная вертикальная нагрузка на основание с учетом гидростатического давления, если оно имеет место;

M 1 - расчётный момент относительно оси, проходящей через центр тяжести подошвы фундамента;

А – площадь подошвы;

W – момент сопротивления по подошве фундамента;

y с - коэффициент условий работы принимаем 1,2;

y n - коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаем равным 1,4;

l- длина подошвы фундамента

b- ширина подошвы фундамента

R- расчётное сопротивление грунта под подошвой фундамента

Расчётная вертикальная нагрузка на основание определяется по формуле:

N 1 =1,1*(p o +p п +p ф +р в +р г)*у ƒ *р к,

Где p ф и р г - нагрузки от веса фундамента и грунта на его уступах, мН;

р в - нагрузка от веса воды, действующей на уступы фундамента (учитывается, если фундамент врезан в водонепроницаемый грунт), мН;

p п - вес пролётного строения, мН;

р к - ила, действующая от временной вертикальной подвижной нагрузки, мН;

p o - вес опоры, мН.

N 1 =1,1*(4,3+1,49)+1,13*6,6=13,00мН

Момент сопротивления по подошве фундамента будет равна:

W= W=

Расчётный момент относительно оси, проходящей через центр тяжести подошвы фундамента, будет равен:

M 1 =1,1*T*(1,1+h 0 +h ф)=1,1*0,66*(1,1+6,4+3,5)=7,98мН*м

Теперь проверим, выполняется ли условие напряжений под подошвой фундамента:

Р max =

P min =

Р max =

Р= - выполняется

Р max = - выполняется

P min = - выполняется

Все три условия прочности напряжений под подошвой фундамента выполняются, следовательно, расчёт произведен правильно.

3.5 Расчёт осадки фундамента

,где

Безразмерный коэффициент, равный 0,8;

G zpi -среднее вертикальное (дополнительное) напряжение в i-м слое грунта;

h i и E i -соответственно толщина и модуль деформации i-м слое грунта:

n – число слоев, на которое разбита сжимаемая толща основания.

Техника расчёта сводится к следующему:

1. Сжимаемую толщину грунтов, расположенную ниже подошвы фундамента, разбивают на элементарные слой толщиной h i , где b – ширина подошвы фундамента=5,44 м. толщина слоя принимается h i =2,0м.

Границы элементарных слоев должны совпадать с границами слоев грунтов и уровнем подземных вод.

Глубина разбивки должна быть примерно 3* b=3*5,44=16,3м

Разбиваем на 10 слоев. Данные расчёта заносятся в таблицу 2.

2. Определяем значения вертикальных напряжений от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента и на границе каждого подслоя

Вертикальное напряжение от собственного веса грунта на уровне подошвы фундамента

,

Где К к - геостатический коэффициент бокового давлении, равен 1;

z i =h ф - глубина подошвы фундамента (z i =3,5)

у – удельный вес грунта ниже уровня грунтовых вод (определяется с учетом взвешивающего действия воды) у sb =10 кН/м 2

Отсюда: кПа

z i - расстояние от подошвы расчётного слоя до подошвы фундамента;

у i - удельный вес грунтов i-го слоя. Удельный вес грунтов залегающих ниже уровня грунтовых вод или ниже воды в реке, но выше водоупора, должен определяться с учётом взвешивающего действия воды: В водоупоре напряжение от собственного веса грунта в любом горизонтальном сечении без учёта взвешивающего действия воды.

Определяем значения вертикальных напряжений от собственного веса грунта на границе каждого подслоя (данные заносим в табл.). По результатам расчёта строим эпюру вертикальных напряжений от собственного веса грунта.

3. Определяем дополнительное к природному вертикальное напряжение под подошвой фундамента по формуле:

Р- среднее давление на грунт от нормативных постоянных нагрузок

A – площадь подошвы фундамента,

N 11 - расчетная вертикальная сила

N 11= р 0 +р n +р г +р в, где

р 0 - вес опоры;

р n -вес пролетного строения;

р г - нагрузка от веса грунта на его уступах;

р в - нагрузка от веса воды, действующей на уступы фундамента (учитывается если фундамент резан водонепроницаемый грунт)

N 11 =4,3+1,49+5,6=11,39*10 3 =11390кН

Р= кН/м 2

Значение ординат эпюры распределения дополнительных вертикальных напряжений в грунте вычисляем по формуле:

Коэффициент, принимаемый из таблицы в зависимости от формы подошвы фундамента.

Соотношение сторон прямоугольного фундамента

и относительной глубины, равной

Находим по таблице коэффициент , вычисляем значения ординат эпюры распределения дополнительных вертикальных напряжений в грунте.

Расч. слой	№ слоя	Толщина слоя, h, м	z i , м	кПа	γ i , кН/м 3		0.2	2z/b				Е 1	S i
кПа	кПа
глина		2,8			10,0		7,0			142,38	137,19	13.000	0,057
глина		1,5	1,5	10,0			0.60	0,927	132,0	114,63	20.000	0,025
	2,0	3,5	10,0			1,29	0,683	97,25	85,43	0,013
	2.0	5,5	10,0			2,02	0,517	73,61	62,93	0,009
	2.0	7,5	10,0			2,78	0,367	52,25	50,33	0,003
Песок мелкий		0,9	8,4	10,0		23,8	3,09	0,340	48,41	40,65	37.000	0,002
	2,0	10,4	10.0		27,8	3,82	0,231	32,90	29,48	0,002
	2,0	12,4	10,0		31,8	4,56	0,183	26,06	24,14	0,002
	2,0	14,4	10.0		35,8	5,30	0,156	22,21	20,43	0,001
	0.6	15,0	10,0		37,0	5,52	0,138	19,65	Итого:	0,114

4.Определяют нижнюю границу сжимаемой толщи (В.С). Она находится на горизонтальной плоскости, где соблюдается условие.

Традиционно методика и объем обследования оснований и фундаментов определяются в зависимости от вида и сложности намечаемых работ (капитальный ремонт здания без увеличения нагрузки на основание; капитальный ремонт либо реконструкция с увеличением нагрузки на основание; восстановление аварийно-деформированных зданий с усилением либо без усиления системы "фундамент-основание"; строительство нового здания рядом с существующим), которые определяют геотехническую категорию объекта.

Материалы обследований позволяют ответить на следующие вопросы:

Могут ли существующие фундаменты обеспечить в дальнейшем нормальные условия эксплуатации здания (сооружения) или необходимо их усиление, переустройство.

В какой степени грунты в основании существующих фундаментов могут воспринимать дополнительные нагрузки.

Насколько допустимо увеличение нагрузки на полы по грунту или на поверхность около фундамента.

Можно ли осуществить пристройку нового здания к существующему.

Какая технология усиления оснований и фундаментов наиболее приемлема для рассматриваемого случая. Как устранить имеющиеся дефекты.

Какие конструкции могут быть сохранены, а какие подлежат разборке или восстановлению.

Как восстановить пространственную жесткость здания.

В задачу дополнительных изысканий входят уточнение и детализация ограниченных по размерам зон основания, находящихся в непосредственном контакте и взаимодействии с фундаментами. При организации и проведении изысканий для реконструкции следует учитывать:

Затрудненный доступ к основанию из-за наличия существующих несущих конструкций фундаментов, разборка и нарушение целостности которых недопустимы;

Необходимость сохранения сложения и напряженного состояния грунтов основания, так как они воспринимают эксплуатационную нагрузку от здания (сооружения);

Резкую местную изменчивость свойств грунтов в основаниях под подошвой фундаментов, для установления которой нужны методы, обеспечивающие непрерывность или высокую степень детальности изысканий;

Стесненные условия реконструируемых объектов, что накладывает жесткие ограничения на размеры и массу изыскательского оборудования.

Исследования оснований под фундаментами проходкой шурфов являются самым распространенным на настоящее время способом изысканий, применяемым при реконструкции. Шурфование позволяет осуществить визуальное изучение, пенетрацию грунтов, внедрение в грунт из шурфа различных измерительных и испытательных устройств, производить массовый отбор проб. На пробах, отобранных в шурфах, в лабораторных условиях могут быть определены показатели свойств грунтов, установлено изменение физико-механических характеристик в уплотненных зонах основания (как было показано выше).

Вскрытие основания большим количеством шурфов и выработок, большой объем отбираемых проб могут привести к его существенным нарушениям и ослаблениям. При малых же объемах шурфования проблематичным становится надежное обнаружение случайных неоднородностей и изменчивости свойств грунтов. Другой недостаток шурфования - его высокая трудоемкость, связанная с проведением работ в крайне сложных условиях (под нагруженными конструкциями), необходимостью крепления шурфов, водоотлива и водопонижения. Кроме того, шурфование с отбором проб чрезвычайно затруднено в водонасыщенных мелких и пылеватых песках, а также в пылевато-глинистых грунтах с показателем текучести I L >0,5. Указанные обстоятельства делают метод шурфования трудоемким и недостаточно информативным для условий массовых изысканий при реконструкции на слабых грунтах.

Впервые подготовленный к изданию проект СНиП 2.01.13 "Реконструкция зданий и сооружений. Исходные данные для проектирования. Правила обследования конструкций и оснований"рекомендует производить откопку шурфов "ниже подошвы фундамента не менее чем на 2b, где b - ширина подошвы фундамента"...Таким образом, на слабых грунтах при ширине подошвы фундамента 3 - 4м и глубине заложения 2,0м общая глубина откопки составит 8 - 10м, что просто нереально. В то же время в проекте СНиПа в разделе по инженерно-геологическим изысканиям предлагается прогнозировать возможное изменение свойств грунтов под фундаментами разной ширины, глубины заложения, обобщать данные об уплотнении грунтов. Однако на сегодня нет четких методик, позволяющих получить такие исходные данные.

Несомненно, объемы и степень детализации данных по обследованию грунтов основания зависят от состояния конструкций и должны соответствовать цели предполагаемой реконструкции. Если имеют место деформации основных несущих конструкций или возникает необходимость значительного увеличения нагрузок, то объем обследования должен быть максимален.

Обследования должны быть быстрыми, с минимальным объемом земляных работ, информативными, позволяющими в последующем использовать наиболее прогрессивные численные методы расчета.

Анализируя мировой опыт организации инженерно-геологических изысканий для самых различных строительных целей, можно отметить как прогрессивные полевые опытные работы с использованием мобильного оборудования для испытания in situ.

Преимущества полевых экспресс-методов перед лабораторными в условиях реконструкции заключаются в следующем:

Они позволяют проводить исследования сравнительно большого массива грунта, включая структурно-неустойчивые грунты, где отбор монолитов практически невозможен;

Дают возможность получить близкие к фактическим данные при минимальной степени нарушения сложившегося за длительный период эксплуатации зданий состояния грунтов;

Имеется возможность при использовании специальных приемов оценить напряженно-деформированное состояние грунтов;

Способствуют получению информации, пригодной для использования современных численных методов расчета.

К недостаткам экспресс-методов можно отнести: фиксированный момент времени получения информации без учета сопутствующих, изменяющихся ситуаций и недостаточную изученность некоторых полевых методов. Эти недостатки можно устранить при проведении полевых испытаний в комплексе с лабораторными исследованиями грунтов и геотехническим прогнозом всех возможных ситуаций методом конечных элементов (МКЭ).

Анализируя разновидности полевых методов исследования грунтов и передовой опыт таких работ, накопленный в ФРГ, Голландии и странах северного Союза (Швеция, Дания, Финляндия, Норвегия и др.), для целей реконструкции на слабых грунтах можно рекомендовать: 1 -динамическое и статическое зондирование грунтов основания; 2 - зондирование с использованием системы крыльчаток для испытания грунта на вращательный срез; 3 - испытания грунтов винтовыми штампами.

Метод динамического зондирования с использованием легких зондов позволяет решать широкий круг вопросов как в песчаных, так и в глинистых грунтах. По результатам зондирования можно вычислить условное динамическое сопротивление грунта Р д по формуле

Р д = Аkφn/h (2.16)

где А - удельная энергия зондирования, определяемая по ГОСТ 19912-81; k - коэффициент учета потерь энергии при ударе молота и на упругие деформации штанг (kзависит от принятых интервалов зондирования и типа установки); φ - коэффициент, учитывающий потери энергии на трение штанг о грунт; h - глубина погружения зонда; п - число ударов молота на залог.

По результатам динамического зондирования можно, как минимум, оценить плотность сложения песчаных грунтов и в первом приближении оконтурить зоны уплотнения от длительно действующей нагрузки либо зоны разуплотнения при снятии нагрузки или каком-либо негативном техногенном воздействии. Кроме того, можно получить значение модуля деформации для пылевато-глинистых грунтов по формуле Е = 6р д . Значение условного расчетного сопротивления (МПа) пылевато-глинистых грунтов определяется следующим образом:

Р д	1,0	3,0	5,0	7,0
Rо	0,1	0,25	0,4	0,55

Значения прочностных и деформационных свойств песчаных грунтов сведены в табл. 2.14. Данные динамического зондирования позволяют оценить динамическую устойчивость песков, что очень важно для специфических условий Петербурга, особенно его центральной части, сложенной песками пылеватыми и супесями. При постоянном вибрационном загрязнении среды возможны случаи разжижения песков под эксплуатируемыми зданиями.

Нормативный угол внутреннего трения (φ н и нормативный модуль деформации Е н для песчаных грунтов

Таблица 3.14

Можно использовать показатель N - число стандартных ударов, необходимых для погружения зонда на глубину 10см: N = 10п/h .

Среднее значение числа ударов при погружении зонда на глубину 10см можно находить по методике Ю. С. Миренбурга и Л. Н. Хрусталева (1978) графоналитическим способом. Сущность его заключается в том, что площадь эпюры N в пределах слоя грунта соответствует работе, затраченной на погружение зонда. Таким образом, зная эпюру S i и оценивая ее площадь с учетом мощности слоя h, можно получить значение N для конкретного выделенного слоя. Существуют различные системы обработки N, позволяющие при заданных условиях доверительной вероятности резко увеличить достоверность получаемых характеристик.

Кроме того, используя легкие переносные динамические зонды и наборные штанги, можно зондировать грунты в основании реконструируемых зданий через отверстия, пробуренные в теле фундамента.

Статическое зондирование широко применяется в мировой практике инженерно-геологических изысканий преимущественно для прогноза несущей способности свайных фундаментов.

Не вдаваясь в теорию статического зондирования (это является темой самостоятельных исследований большой группы ученых), отметим следующие моменты, характерные для использования метода в реконструкционной практике:

Используя специальные установки, можно выполнять зондирование на большую глубину с определением кровли плотных пород (морены), способных стать основанием для свай усиления;

Статическое зондирование позволяет выявить границы грунтов, различных по составу и состоянию;

Представляется возможным при зондировании через отверстия в ростверке установить фактическое сопротивление грунта (лобовое сопротивление - q 3 и трение по боковой поверхности - f 3) и откорректировать несущую способность сваи в основании реконструируемых зданий;

При необходимости возможно зафиксировать уплотненные зоны (рис. 2.19) и оценить степень разуплотнения грунтов.

Как видно на рис. 2.19, зондирование выполняется в том числе и через существующий фундамент. Даже этот простейший пример указывает на возможность учета степени уплотнения-упрочнения грунта в основании зданий. Представляется возможным оценить прочностные и деформационные характеристики грунтов рядом с фундаментом и непосредственно в пределах сжимаемой толщи под подошвой.

Результаты испытаний показаны на графиках статического зондирования (см.рис. 2.19, б) как сопряженные отрезки прямых, характеризующих степень уплотнения-упрочнения грунта в основании реконструируемого фундамента. Можно выделить условные зоны и подзоны близкой степени уплотнения (/, // и III).

Рис. 3.19. Испытание грунтов в основании реконструируемых фундаментов статическим зондированием: а - выделенные уплотненные зоны; б - результаты испытаний зондом

М. А. Солодухин предлагает методику "инженерного сглаживания", которая достаточно проста и интересна для строительной практики, в частности, при решении геотехнических задач по реконструкции зданий на естественном основании и сваях. Так, например, используя эту методику, можно найти суммарное боковое сопротивление:

Q В н =Q В 3 +Нtgθ (2.17)

Значение Q В 3 - суммарное сопротивление по подошве вышележащего слоя - находится из выражения

Q В 3 = (2.18)

а значение tgθ - по формуле

tgθ= (2.19)

где n - число принятых значений Q В 3 (рис. 2.20) на соответствующих глубинах Н.

За последние 15 лет графики использовались при обследовании более чем 400 реконструируемых зданий. Выполненные расчеты по геотехническому прогнозу подтвердились многолетними данными натурных наблюдений за зданиями.

Рис. 2.21. Зависимости показателей основных физико-механических характеристик грунта от величин сопротивпения динамическому зондированию легкими забивными

зондами: а - пески крупные и средней крупности независимо от влажности;

б - пески мелкие водонасыщенные

Обработка данных зондирования осуществляется с помощью программы "zond" для работы на персональных компьютерах. Программа достаточно проста и доступна для применения в практике работы групп обследования проектных институтов и бюро.

Информативность способов зондирования существенно возрастает при комплексных и сопоставительных изысканиях на основе тарировки или использования корреляционных зависимостей между показателями зондирования и характеристиками физико-механических свойств грунтов, определенных на образцах в лаборатории. В каждом случае корреляционные зависимости устанавливаются для конкретных грунтов данного генетического типа по результатам параллельных изысканий зондированием и лабораторных испытаний.

Опыт применения различных методов зондирования, в том числе с лопастными зондами, для изысканий на объектах реконструкции был использован при разработке специальной методики обследования оснований эксплуатируемых зданий Методика реализована применительно к эксплуатируемым длительное время стабилизированным основаниям, сложенным типичными для Петербурга водонасыщенными сильносжимаемыми грунтами с низкими прочностными показателями (рис. 2.22).

Методика предусматривает, что в структуре грунтов отсутствуют цементационные и кристаллизационные связи, а связанность пылевато-глинистых грунтов определяется только молекулярными водно-коллоидными связями тиксотропного характера.

Для решения самых различных вопросов реконструкции зданий необходим анализ характера деформирования грунтов при нагрузке. Наиболее перспективными в стесненных условиях существующих подвалов оказались винтовые штампы. Они позволили установить деформационные свойства грунтов в основании зданий в непосредственной близости от существующих фундаментов.

Использование винтового штампа конструкции С. Н. Сотникова, В. Н. Бражник позволило на конкретных объектах реконструкции установить деформационные характеристики грунта для геотехнического прогноза, связанного с догружением грунтов при значительной надстройке. Кроме того, представилось возможным смоделировать ситуации, связанные с различным режимом нагружения и разгрузки.

Из множества объектов, подлежащих реконструкции, был выбран характерный, на котором предполагалось решить целый комплекс задач:

Увеличение нагрузки на существующие фундаменты в связи с планируемой надстройкой на 2 этажа;

Разборка дворовых флигелей с возведением на существующих фундаментах многоэтажного общежития (гостиницы);

Пристройка спортивного комплекса с универсальным спортивным залом;

Углубление существующих подвалов.

Опытная площадка находилась в Невском районе по ул.Седова,55. Испытания винтовыми штампами проводились из подвальных помещений, что исключало влияние погодных условий. Уровень поверхности пола находился на 0,9 м выше заложения подошвы ленточного фундамента под наружные стены.

Площадка сложена желтыми пылеватыми тугопластичными суглинками, с глубины 1,0м - слоистыми, а с глубины 3,6м - с прослойками серого суглинка и супесей пластичных. Мощность этого слоя достигала 4,0м. Ниже располагались ледниковые отложения, представленные пылеватыми серыми тугопластичными суглинками с редким мелким гравием. В процессеоткопки шурфов и проходки скважин были отобраны монолиты, что позволило определить основные физико-механические характеристики грунтов. Анализ инженерно-геологических условий выявил необходимость проведения в числе других и штамповых испытаний. Используемый винтовой штамп состоял из центрального ствола, лопасти, загрузочной платформы и реперной системы. Диаметр лопасти 3,6см, что соответствует площади штампа 1000см 2 .

Для измерения вертикальных перемещений грунта по глубине основания использовались глубинные марки (рис. 2.23). Они представляют собой стержень длиной 60мм с заостренным концом и с винтовой лопастью диаметром 35мм. Марки погружались после завинчивания штампа. При испытаниях строились традиционные графики "нагрузка-осадка" (рис. 2.24).

Модуль деформации грунтов на глубине 0,9м (глубина заложения фундамента) составил 1,7МПа, а на глубине 2,2м - 1,6МПа. Доля обратимых деформаций возрастала с глубиной: при испытаниях на верхнем горизонте она составила 13%, на нижнем - около 30%.

Рис. 2.23. Схема расстановки Рис. 2.24. Зависимость деформаций

глубинных марок у винтового штампа грунтов основания от давления

(испытание винтовым штампом) на

глубине 1,1м (1) и 2,2м (2)

Винтовой штамп позволил установить значение деформационных характеристик грунтов рядом с реконструируемым фундаментом и прогнозировать осадки здания после реконструкции. По предложенной методике были также подсчитаны осадки здания после проектируемого возведения новых стен на старых фундаментах.

Таким образом, винтовой штамп многофункционален и позволяет в комплексе с другими полевыми методами испытаний грунтов решать широкий круг реконструкционных задач, повышая информативность геотехнической системы.

Как показала многолетняя практика реконструкции на слабых грунтах, использование изложенной методики повышает надежность численных расчетов и позволяет совершенствовать технологические приемы реконструкции фундаментов.

3. МЕХАНИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ГРУНТА И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ОСНОВАНИЙ