СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЁЖНОСТИ СООРУЖЕНИЯ НА СЕЗОННОПРОМЕРЗАЮЩЕМ ПУЧИНИСТОМ ГРУНТОВОМ ОСНОВАНИИ Российский патент 2016 года по МПК E02D1/00 

Изобретение относится к строительству мелкозаглубленных фундаментов на естественном основании свайных фундаментов и подземных сооружений (далее сооружений) нормального уровня ответственности в зимний период на сезоннопромерзающих пучинистых грунтовых основаниях [1].

Использование сезоннопромерзающих пучинистых грунтов в качестве основания согласно указаниям п. 5.5.5.1 [8] возможно, если: «специальными исследованиями и расчетами установлено, что деформации грунтов основания при их промерзании и оттаивании не нарушают эксплуатационную надежность сооружения».

Для определения допустимых деформаций грунтов основания от вертикальных напряжений морозного пучения необходимо произвести расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) твердомерзлого грунта и фундамента (сооружения) при их взаимодействии с учетом закономерности распределения вертикальных напряжений в грунте от сооружения и морозного пучения под подошвой твердомерзлого грунта под фундаментами. Из-за отсутствия научно обоснованного способа определения распределения вертикальных напряжений морозного пучения под сооружением до настоящего времени не используются указания п. 5.5.5.1 [8] при проектировании малозаглубленных фундаментов и подземных сооружений.

Для обеспечения эксплуатационной надежности сооружения на сезоннопромерзающих пучинистых грунтах, в основном, применяются дорогие и энергоемкие свайные фундаменты, которые способствуют поднятию уровня грунтовой воды на застраиваемых территориях, загрязняя окружающую среду. Достигнутый уровень исследований взаимодействия фундаментов (сооружений) с пучинистыми грунтами позволяет использовать последние только для временных зданий и сооружений пониженного уровня ответственности [8].

Известно, что согласно [2] вертикальные силы морозного пучения грунтов распределяются по подошве твердомерзлого грунта условно равномерно по площади подошвы фундаментов, а их суммарное значение больше, чем вертикальная нагрузка на фундаменты от зданий и сооружений. Значение давления морозного пучения зависит от «сопротивления сдвигу мерзлого грунта σ_S, МПа, относительно фундамента», который, в свою очередь, зависит от скорости пучения грунта под фундаментом и значения минимальной температуры промерзания грунта под подошвой фундамента.

Так, при скорости пучения грунта по табл. 9 [2] 0,06·10^-2 м/сут., и температуре грунта под подошвой фундамента -1°С-σ_S=20 МПа.

Однако такое значение вертикального давления на подошву фундамента при его морозном выпучивании противоречит каноническому закону равновесия, принятому в строительной механике, согласно которому интегральное значение напряжений от фундамента на грунт равно интегральному значению напряжений морозного пучения грунта. При равенстве их происходит морозное выпучивание фундамента (сооружения) [3].

Наиболее близким аналогом по определению распределения вертикальных сил морозного пучения по подошве твердомерзлого грунта под фундаментами (сооружениями) является утверждение [4], согласно которому вертикальные силы морозного пучения распределяются аналогично напряжениям в грунте от фундаментов (сооружений), но имеют противоположное направление.

Однако это утверждение не может объяснить неравномерных деформаций фундаментов (сооружений) при морозном выпучивании, появление крутящих моментов при неравномерном промерзании и пучении грунта по ширине фундаментов, кренов и т.д. позволяет только определить среднюю величину морозного выпучивания грунта основания.

Такое утверждение находится в противоречии с известными научными фактами возникновений напряжений морозного пучения в грунтах и их зависимости от физико-механических процессов, происходящих при взаимодействии фундаментов и подземных сооружений с талыми и промерзающими пучинистыми грунтами. Исследованиями, приведенными в работе [3], доказано, что с увеличением напряжений в грунте от фундаментов и подземных сооружений влажность грунта как в талом, так и в мерзлом состоянии уменьшается.

В связи с этим распределение промерзающей и незамерзающей воды по глубине промерзания по площади подошвы фундаментов, в зависимости от напряжений в грунте от последних имеет исключительное значение для установления распределения напряжений морозного пучения грунта под фундаментами (сооружениями) [3].

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 морозного пучения грунта основания на сооружение по всей площади опирания фундамента.

Указанный технический результат достигается за счет рассмотрения напряженно-деформированного состояния (НДС) твердомерзлого грунта и фундамента (сооружения) при их взаимодействии в процессе промерзания с вертикальными напряжениями в грунте от сооружения и с учетом использования научного открытия [5]. «Закономерности распределения вертикальных напряжений морозного пучения по подошве твердомерзлого грунта, находящегося под внешней нагрузкой», согласно которому вертикальные напряжения морозного пучения грунта под фундаментом (сооружением), в любой точке, не равны вертикальным напряжениям на грунт от последних.

Указанная цель достигается следующим образом.

Автором теоретически обоснована и экспериментально доказана неизвестная ранее закономерность распределения напряжений морозного пучения по подошве твердомерзлого грунта под фундаментами (сооружениями), заключающаяся в том, что сумма абсолютных значений напряжений в грунте от фундамента (сооружения) и морозного пучения в любой точке по площади подошвы твердомерзлого грунта под ними постоянна и обусловлена изменением льдонакопления по ширине и длине подошвы твердомерзлого грунта, вызванным изменением напряжений в грунте с перераспределением количества промерзающей и незамерзающей воды в порах грунта, с учетом миграции ее в зону промерзания [3, 5].

В соответствии с каноническим законом равновесия (третий закон Ньютона) уравнение будет иметь вид:

где σ_ср. - среднее значение напряжений в грунте от фундамента (сооружения), равное давлению p под фундаментом;

σ_fcp. - среднее значение напряжений морозного пучения в грунте под фундаментом (сооружением).

Сумма абсолютных значений напряжений в грунте от фундамента и морозного пучения в любой точке под подошвой фундамента (сооружения) имеет аналогичный (1) вид:

Сущность изобретения поясняется чертежами и конкретными примерами определения распределения вертикальных сил (напряжений) морозного пучения грунта под подошвой фундаментов (сооружений).

Пример 1.

Ленточный фундамент на упругом основании нагружен четырьмя сосредоточенными силами Р₁, Р₂, Р₃ и Р₄ (см. Фиг. 1). Требуется построить эпюру σ_f при известных значениях распределения а по длине балки длиной L=10 м, шириной b=1,0 м; d=300 [6].

Определяем среднее значение давления под ленточным фундаментом:

;

Определяем σ_fz1, σ_fz2, σ_fz3 и σ_fz4 под сосредоточенными силами:

σ_fz1=2p_z.-σ_z1=2×18,0-25,532=10,468 тс/м²;

σ_fz2=2×18,0-13,106=22,894 тс/м²;

σ_fz3=2×18,0-16,518=19,482 тс/м²;

σ_fz4=2×18,0-34,952=1,046 тс/м².

От основания эпюры α_z откладываем вниз значение 2p_z=36 тс/м² и проводим параллельную к ней линию и соединяем значения σ_fz1-σ_fz4 с значениями σ_z1-σ_z4. В результате получаем эпюру распределения напряжений морозного пучения грунта под ленточным фундаментом. Определяем граничные значения равенства σ_zi и σ_fzi. Ha участке, где σ_fzi>σ_zi, возникают дополнительные вертикальные силы (напряжения) морозного пучения, действующие на ленточный фундамент, что следует учесть при определении усилий в фундаменте. Из условия равновесия при морозном выпучивании грунта основания площади эпюры σ_z и σ_fz будут равны между собой.

Отметим, что распределение напряжений в грунте под подземными сооружениями на упругом основании можно определить по научно-технической литературе [6, 7] или по сертифицированным программным комплексам, например, ПК ЛИРА-9, 10.

Пример 2.

Квадратный фундамент. Распределение напряжений в грунте под фундаментом определяем в соответствии с [1, 8], в центре фундамента, по углам фундамента и посередине сторон квадрата. На фиг. 2а) показаны распределение давления от фундамента и морозного пучения в пределах контура фундамента. На фиг. 2б) показано распределение σ_z и σ_fz по сечению 1-1, где площади эпюр S_1σz=S_1σzf равны между собой и по краям фундамента на участке, где σ_fz≥σ_z=55,5 кПа, действуют крутящие силы морозного пучения.

На фиг. 2в) показано распределение напряжений σ_z и σ_fz по сеч. 2-2 (по диагонали), где площади эпюр S₂(_σz)=S_2(σfz) и по краям фундамента действуют крутящие силы морозного пучения в интервале σ_fz≥σ_z=83,5 кПа. Крутящие силы морозного пучения проявляются при неравномерном промерзании или пучении грунта по диагонали или в поперечном направлении. При этом вероятность поворота фундамента по диагонали в 2 раза больше, чем в поперечном направлении [1]. Отметим, что в этом направлении момент сопротивления колонны в 1,41 раза меньше, чем в поперечном направлении. Максимальное значение напряжения σ_zf по углам фундамента оказались в 167/111=1,5 раза больше, чем в середине сторон квадрата.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг. 1а) показана схема нагрузок на ленточный фундамент шириной 1 м; б) эпюры распределения напряжений σ_fz и σ_z под фундаментом; в) участок фундамента, где напряжение морозного пучения больше, чем напряжение в грунте от фундамента.

На Фиг. 2а) показана схема нагрузки квадратного фундамента и сечения фундамента по центру сторон и по диагонали фундамента; б) эпюры напряжений в грунте от фундамента и морозного пучения в сечении 1-1 и участок (заштрихован), где напряжение σ_fz≥σ_z=55,5 кПа; в) то же, по сечению диагонали 2-2 и участок (заштрихован), где напряжение σ_fz≥σ_z=83,5 кПа.

Изобретение позволяет научно обоснованно определить дополнительные нагрузки на фундаменты (сооружения) от сил морозного пучения и обеспечить надежную эксплуатацию сооружения с минимально необходимыми материальными и финансовыми затратами и открывает новое направление в геотехнике по использованию сезоннопромерзающих пучинистых грунтов в качестве оснований под фундаменты (сооружения), снижает стоимость и трудоемкость строительства, улучшает защиту окружающей среды.

Источники информации

1. Р.Ш. Абжалимов. Использование сезоннопромерзающих пучинистых грунтов в качестве оснований для фундаментов малоэтажных зданий и подземных сооружений в инженерной практике, г. Омск. Изд-во ООО "Омскбланкиздат", 2013 - 442 с.

2. Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов: / ПНИИИС. - М.: Стройиздат, 1986. - 72 с.

3. Р.Ш. Абжалимов. Закономерность распределения напряжений Морозного пучения грунта под фундаментами и подземными сооружениями. - Новосибирск. Изд-во СО РАН, 2008. - 77 с.

4. Голли О.Р. Интегральные закономерности морозного пучения грунтов и их использование при решении инженерных задач в строительстве. Автореф: дис. докт. техн. наук / ВНИИГ им. Веденеева Б.Е. СПб., 2000. 45 с.

5. Абжалимов Р.Ш. "Закономерность распределения вертикальных напряжений морозного пучения по подошве твердомерзлого грунта, находящегося под внешней нагрузкой". / Научное открытие диплом №474 от 14.10.2014 г. Международная академия авторов научных открытий и изобретений.

6. И.А. Симвулиди. Расчет инженерных конструкций на упругом основании: учеб. пособие для строительных вузов, - 4-е изд., перераб. и доп. - М.,: Высшая школа, 1978. - 480 с.

7. М.И. Горбунов-Посадов, Т.А. Маликова, В.И. Соломин. Расчет конструкций на упругом основании. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1984. - 679 с.

8. Свод правил СП22.13330.2011 "Основания зданий и сооружений". Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. М.2011-160 с.

Изобретение относится к строительству мелкозаглубленных фундаментов на естественном основании, малозаглубленных ростверков свайных фундаментов и подземных сооружений нормального уровня ответственности в зимний период на сезоннопромерзающих пучинистых грунтовых основаниях. Способ включает определение напряжённо-деформированного состояния твердомерзлого грунта и фундамента при их взаимодействии в процессе промерзания с вертикальными напряжениями в грунте от сооружения. Технический результат - обеспечение эксплуатационной надёжности сооружения нормального уровня ответственности с минимально необходимыми требованиями к материало-энергоёмкости сооружения и безопасного уровня воздействия здания на окружающую среду путём определения количественного значения воздействия вертикальных напряжений морозного пучения грунта основания на сооружение по всей площади опирания фундамента. 2 пр.,2 ил.

Способ обеспечения эксплуатационной надежности сооружения на сезоннопромерзающем пучинистом грунтовом основании путем определения напряженно-деформированного состояния (НДС) твердомерзлого грунта и фундамента (сооружения) при их взаимодействии с известными значениями распределения вертикальных напряжений в грунте от последних и предполагаемом распределении вертикальных напряжений морозного пучения аналогично напряжениям в грунте от фундамента (сооружения), но имеющие противоположное направление, отличающийся тем, что вертикальные напряжения морозного пучения по подошве твердомерзлого грунта под фундаментом (сооружением), в любой точке, не равны вертикальным напряжениям на грунт от фундамента (сооружения), а количественные их значения для определения напряженно-деформированного состояния (НДС) твердомерзлого грунта и фундамента при их взаимодействии принимают исходя из постоянства суммы абсолютных значений напряжений в грунте от фундамента (сооружения) и морозного пучения в любой точке по площади подошвы твердомерзлого грунта под ними, равных двум значениям среднего напряжения (давления) в грунте от фундамента (сооружения), определяемых по формуле:
(σ_zi+σ_fzi)=const=2p_z.,
где σ_zi - напряжение в грунте на глубине z от низа подошвы фундамента (сооружения) в точке i;
σ_fzi - напряжение в грунте от сил морозного пучения на глубине z от низа подошвы фундамента (сооружения) в точке i;
p_z - 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 деформаций грунта основания при его морозном пучении и оттаивании, обеспечивающие надежную эксплуатацию последних.