Конструкторские подсистемы САПР

(Ухов С.Б., Семёнов В.В., Знаменский В.В., и др. «Механика грунтов, основания и фундамента», АСВ, М, 1994г)

VII семестр (4-й курс)

Основания и фундаменты

Лекция №1

Практически все существующие объекты результирующей деятельности человека связаны тем или иным образом с землёй, с определением её геологических и гидрогеологических параметров строения, физических характеристик и других факторов, влияющих на эффективность работы этих объектов. Именно поэтому большая роль отводится изучению оснований и работе фундаментов различного назначения. Мы с вами являемся свидетелями в Москве многих аварий, являющихся следствием недостаточного и несистемного учета различных факторов, связанных с работой оснований и фундаментов.

В руководстве по строительному искусству свыше 200 лет назад указывалось, что «при устройстве фундаментов и оснований под них ни трудов, ни иждивений жалеть не должно».

Недочёты при устройстве оснований и фундаментов могут быть объединены в следующие группы:

1. Ошибки и недостатки в оценке геологического строения участка.

2. Неправильности в проекте фундаментов.

3. Некачественное производство земляных и фундаментных работ.

4. Неучёт возможных повреждений в результате стихийных бедствий

К первой группе относятся отсутствие геологических и гидрогеологических данных о месте постройки, неточность в оценке мощности в напластовании грунтов, неполнота данных о сжимаемости, прочностных характеристиках грунтов и др.

Ко второй группе ошибок, кроме случайных просчётов, относят неучёт изменений свойств грунтов при эксплуатации сооружений (подмыв, дополнительное увлажнение, пучение, изменение свойств грунтов при вибрациях и т.п.), а также неучёт при проектировании фундаментов их взаимодействия с грунтами оснований и совместной работы под нагрузкой.

К третьей группе относят чисто производственные ошибки: плохой водоотлив, слабые ограждения котлованов для фундаментов, нарушение структуры грунта землеройными машинами, плохое качество бетона и т.п.

К четвертой группе, нарушающих прочность и устойчивость фундаментов, относят: наводнения, селевые потоки, сейсмические и другие воздействия.

Приведем теперь основные определения и понятия.

Основанием сооружений называется толща природных напластований горных пород (грунтов) непосредственно воспринимающая нагрузку и взаимодействующая с фундаментами возводимых на ней сооружений.

Грунты подразделяются на два класса:

скальные – грунты с жёсткими (кристализационными или цементными) структурными связями;

нескальные – грунты без жёстких структурных связей.

Скальные грунты практически несжимаемы при нагрузках от гражданских и промышленных зданий.

Нескальные грунты подразделяются на:

1. осадочные:

а) крупнообломочные;

б) песчаные;

в) пылевато-глинистые;

г) биогенные (озёрные, болотные и т.п.);

д) почвы (природные образования, слагающие поверхностный слой земной коры и обладающие плодородием)

2) искусственные:

а) уплотнённые в природном залегании;

б) насыпные;

в) намывные.

Фундаментами сооружений называют надземные и подводные части сооружений, возводимые на естественных или искусственно улучшенных основаниях и служащие для передачи нагрузок от сооружений на основания.

Скальные и нескальные грунты, имеющие отрицательную температуру и содержащие в своём составе лёд, относятся к мёрзлым грунтам, а если они находятся в мёрзлом состоянии от 3-х лет и более, то к вечномёрзлым.

Грунты, как правило, являются трёхфазными системами и состоят из твёрдых частиц, поры между которыми заполнены водой и газом.

Строительные свойства грунтов определяются минералогическим (кварц, соль, органика и т.д.) и гранулометрическим составом, структурой (размер, форма и количественное соотношение слагающих частиц и характер их связей), текстурой (пространственное расположение элементов грунта с разным составом и свойствами) и состоянием в природном залегании.

Одной из основных характеристик грунта является плотность частиц (отношение массы сухого грунта без воды к объёму твёрдой части частиц) - “ s“и плотность грунта (отношение массы грунта с имеющейся в нём водой к его объёму) – “”.

d – плотность в сухом состоянии

Название грунта	г/м3, s , г/см3(средн.)	
Песок	2,66
Супесь	2,70
Суглинок	2,71
Глина	2,74

Как и всякое вещество, под нагрузкой грунты деформируются.

Степень деформации грунта во многом зависит от его пористости или коэффициента пористости – “e”, т.е. отношение объёма пор к объёму минеральных частиц.

e = (_{s -} _d) / _d _{d =}  / (1+ω) – плотность сухого грунта

ω = - отношение массы воды к массе сухого грунта

ω – природная влажность грунта

Если грунт находится ниже уровня грунтовых вод, то его удельный вес уменьшается за счёт взвешивающего действия воды и определяется по формуле:

γ_{sb =} (γ_{s –} γ_w) / (1+e)

γ_{s –} удельный вес частиц грунта, принимаемый равным:

для песчаного грунта – 26 кН/м³

для глинистого грунта – 27 кН/м³

γ_{w -} удельный вес воды, равный – 10 кН/м³

e – коэффициент пористости

Характеристиками грунтов, необходимыми для проектирования оснований являются:

модуль деформации – Е (кг/см²)

удельное сцепление – с (кг/см²),

угол внутреннего трения - φ˚

Е определяют в натуральных условиях в _________ или скважинах соответств. штампом 5000 см² или 600 см².

φ и с – в лабораторных условиях на отобранных в полевых условиях образцах для конкретного слоя грунта и последующей статистической обработки (МНК) или в полевых условиях с последующей обработкой.

S1			P1	P2 P3	P, MПа
S2
					т. для определения расчётного сопротивления основания R (МПа)
S3
		S, мм

Песчаные грунта 0,2 – 0,35

Коэффициент Пуассона V_◦ =

Глинистые грунта 0,05 – 0,50

Δ₁

Отношение величины боковой деформации к вертикальной ﻻ = Δ₂

Е_◦ = ω (1- V_◦²)

ω = = 0,785 – для кругового штампа;

ω = 0,88 – для штампа с квадратной площадью подошвы

b – ширина или диаметр штампа

S – осадка штампа при данной нагрузке

V_◦ - коэффициент относительной боковой деформации

Сопротивление грунта характеризуется касательными напряжениями в предельном состоянии, когда разрушается грунт, т.е. условие:

τ = σ * tgφ + с (условие прочности Кулона – Мора)

τ
φ
с					σ
	1	2	3

Для песчаных грунтов с ≈ 0

	P
F
			Q

σ = τ =

Если грунты находятся в водонасыщеннном состоянии, то при их нагружении вода будет вытесняться из пор, т.е. фильтроваться.

Скорость фильтрации определяется как расход воды в единицу времени, отнесённый к площади поперечного сечения образца грунта.

Скорость фильтрации воды в грунтах V можно описать законом Дарси:

V = k = k * I, где

K – коэффициент фильтрации (м / сутки),

I – градиент напора при разности напоров ∆H к длине пути фильтрации b (I = ).

		∆H	H1
H2
		b

Ориентировочные значения коэффициента фильтрации грунтов (k):

Грунт	k, м / сутки
галька	>200
гравий	100-200
песок	2-100
супесь	0,1 - 0,7
суглинок	0,005 - 0,4
глина	<0,005
торф	0,01 - 4

Знание коэффициента фильтрации позволяет прогнозировать протекание осадок глинистых грунтов во времени, при этом важно знать и природный градиент напора I_◦, преодолев который возможна фильтрация воды в уплотнённых глинистых грунтах.

Для грунтов, процесс фильтрации у которых закончился, и для всех неводонасыщенных грунтов, определяющим фактором протекания их деформации во времени является ползучесть скелета грунта, которая особенно велика у тугопластичных, полутвёрдых и твёрдых глин.

Полную относительную деформацию грунтов e₁ = можно рассматривать как сумму мгновенной и изменяющейся во времени деформацию, т.е.:

e₁(t) = σ(t)/ Е_◦ +k(t-t_◦) σ(t_◦)∆t_◦,

e₁(t) и σ(t) – относительная деформация и напряжение, изменяющееся во времени;

k(t-t_◦) – некоторое ядро затухающей ползучести, равное:

k(t-t_◦) = σ*exp(σ₁(t-t_◦)),

где σ, σ₁ – параметры ползучести, определяемые из опытов.

Необходимо отметить, что результаты определения основных исходных физических свойств и параметров прочностных и деформативных характеристик грунтов, позволяют обоснованно применять в расчётах оснований те или иные теории (модели) их деформирования.

Без достоверного же прогноза деформаций оснований (их осадок, изменения их во времени, переносов и др.) не могут быть запроектированы фундаменты по их предельным состояниям, в т.ч. по деформациям.

Рассмотрим деформации сооружений при развитии осадки оснований.

Все сооружения можно разбить на абсолютно или практически гибкие и абсолютно или практически жёсткие.

В первых видах, сооружения следуют за перемещениями поверхности грунтов основания и эти деформации не вызывают особых осложнений при эксплуатации.

Пример – земляная насыпь. Устранение нежелательных осадок за счёт досыпки грунта.

В абсолютно жёстких сооружениях осадка одинакова по всей их длине (площади) или они получают крен без изгиба сооружения.

Пример: дымовые трубы, доменные печи, элеваторы. Эти сооружения выравнивают осадки. Однако это приводит к перераспределению усилий, что может сказаться на прочности сооружения.

Большая часть зданий и инженерных сооружений (эстакады, мосты неразрезные, резервуары) не могут следовать во всех своих т.т. за перемещениями (деформациями) грунтов основания и поэтому искривляются, что приводит к возникновению усилий, которые не всегда учитываются при проектировании. Отсюда возникают трещины в сооружениях.

Таким образом, в сооружениях могут возникнуть: крен, изгиб, выгиб, перекос, кручение.