Способ определения удельных сил сопротивления по боковой поверхности фундамента мерзлых грунтов при различных температурах и в процессе оттаивания и устройство для его реализации Российский патент 2021 года по МПК E02D33/00 

Изобретение относится к области строительства, в частности к способам определения несущей способности фундаментов в вечномерзлых грунтах.

Известен аналог предлагаемого - расчетный способ определения несущей способности свай в вечномерзлых грунтах [Руководство по полевым испытаниям свай в вечномерзлых грунтах. НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. М: Стройиздат, 1977. Дата актуализации 01.01.2018].

Расчет оснований свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах по первой группе предельных состояний (по несущей способности) производится исходя из условия:

где F - расчетная нагрузка на основание;

F_u - несущая способность основания, определяемая расчетом, а для оснований свайных фундаментов - дополнительно и по данным полевых испытаний свай и статического зондирования;

g_n - коэффициент надежности по ответственности сооружения, принимаемый в соответствии с требованиями СП 22.13330 в зависимости от вида и уровня ответственности сооружения, а для оснований опор мостов - согласно СП 35.13330.

Несущая способность основания F_u, кН, вертикально нагруженной висячей сваи или столбчатого фундамента определяется по формуле:

где γ_t - температурный коэффициент, учитывающий изменения температуры грунтов основания из-за случайных изменений температуры наружного воздуха;

γ_с - коэффициент условий работы основания;

R - расчетное сопротивление мерзлого грунта под нижним концом сваи или под подошвой столбчатого фундамента, кПа.

А - площадь подошвы столбчатого фундамента или площадь опирания сваи на грунт, м², принимаемая для сплошных свай равной площади их поперечного сечения (или площади уширения), для полых свай, погруженных с открытым нижним концом, - площади поперечного сечения сваи брутто при заполнении ее полости цементно-песчаным раствором или грунтом на высоту не менее трех диаметров сваи; R_aƒ,i - расчетное сопротивление мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по боковой поверхности смерзания сваи или столбчатого фундамента в пределах (i-го слоя грунта, кПа);

A_aƒ,i - площадь поверхности смерзания i-го слоя грунта с боковой поверхностью сваи, а для столбчатого фундамента - площадь поверхности смерзания грунта с нижней ступенью фундамента, м²; n - число выделенных при расчете слоев многолетнемерзлого грунта.

Значения расчетных сопротивлений мерзлого грунта по боковой поверхности и под нижним концом определяется по табличным данным.

Точность расчетов определяется достоверностью значений расчетных сопротивлений грунта за счет смерзания по боковой поверхности и расчетного сопротивления под нижним концом.

Недостатком данного способа является низкая точность определения несущей способности сваи. Поскольку мерзлые грунты обладают большим разнообразием, значительной изменчивостью в плане и по глубине и параметры их прочности и деформируемости существенно зависят от плотности, физического состояния, льдистости и др., то определение несущей способности свай в вечномерзлых грунтах расчетным путем с использованием табличных данных не обладает высокой точностью.

Общими признаками данного технического решения с предлагаемым является то, что несущая способность сваи в мерзлых грунтах определяется по вышеприведенной расчетной формуле.

Существенным отличием является то, что R_aƒ,i - расчетное сопротивление мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по боковой поверхности смерзания сваи или столбчатого фундамента в пределах (i-го слоя грунта, кПа) определяется не по таблицам, а в результате эксперимента для слоев реального грунта, залегающего вокруг данной сваи, что существенно повышает точность определения несущей способности сваи.

Наиболее близким к предлагаемому (прототипом) является лабораторный способ определения сил смерзания по боковой поверхности фундамента. [Руководство по определению физических, теплофизических и механических характеристик мерзлых грунтов. М: Стройиздат, 1973. - с. 160].

Значение устойчивого сопротивления сдвигу *т_ус определяется в лаборатории: из испытаний по продавливанию модели фундаментов, вмороженных боковой поверхностью в грунт, со скоростью перемещения, близкой к скорости морозного пучения грунта в природных условиях. При продавливании модели фундамента в мерзлый грунт сдвигающее (сдавливающее) усилие во времени сначала возрастает, а затем, убывая, стабилизируется. В качестве расчетного сдвигающего усилия принимается наименьшее его значение при постоянной скорости относительного перемещения модели и грунта.

Поскольку стандартные приборы для таких определений отсутствуют, в качестве приборов для испытания мерзлых грунтов на сдвиг при смерзании используют специально изготовленные установки или, например, сдвиговые приборы конструкции Ермакова [Руководство по определению физических, теплофизических и механических характеристик мерзлых грунтов. М.: Стройиздат, 1973. - с. 160].

Прибор состоит из двух частей: стального корпуса и пластины (плашки) из стали, с площадью смерзания F=70 см²), имитирующей элемент фундамента (сваи). Материал элемента фундамента - стальная пластина.

Однако известное техническое решение не позволяет в ходе одного испытания определить расчетное сопротивление мерзлого грунта по боковой поверхности фундамента при различных температурах и в процессе оттаивания.

Технический результат заявленной группы изобретений заключается в повышении точности определения несущей способности сваи в мерзлых грунтах и повышении точности и информативности испытаний, что позволит прогнозировать изменение несущей способности сваи при изменении температурного поля массива и в случае его оттаивания.

Технический результат обеспечивается тем, что в способе определения удельных сил сопротивления по боковой поверхности свайного фундамента в мерзлых грунтах при различных температурах и в процессе оттаивания, к модели свайного фундамента в виде прямоугольной пластины, сделанной из материала фундамента примораживают мерзлый грунт при фиксированном значении отрицательной температуры, к пластине прикладывается нормальная, прижимающая пластину к грунту и постоянно увеличивающаяся сдвигающая нагрузка, и по величине сдвигающей нагрузки, при которой происходит сдвиг пластины относительно грунта, судят о величине удельного сопротивления мерзлого грунта по боковой поверхности фундамента, отличающийся тем, что примораживаемый грунт извлекают из керна при бурении скважины для сваи, керн распиливают напополам в плоскости диаметра и каждую его половину заключают в металлическую обойму, грунт прижимают с двух сторон к пластине с помощью винтов с месдозами на конце с усилием, сдвигающую возрастающую нагрузку прикладывают ступенями через упругий элемент, каждую ступень релаксирующей сдвигающей нагрузки выдерживают до ее стабилизации, после того, как стабилизированное значение релаксирующей последующей ступени нагрузки будет равно предыдущему, абсолютное значение отрицательной температуры грунта уменьшают и фиксируют новое стабилизированное значение релаксирующей сдвигающей нагрузки при данной температуре, далее последнюю операцию повторяют до полного оттаивания грунта и по величинам стабилизированного значения релаксирующей касательной нагрузки при различных значениях температуры судят о величине удельных сил сопротивления по боковой поверхности свайного фундамента при различных значениях отрицательных температур.

Технический результат обеспечивается также тем, что устройство для определения удельных сил сопротивления по боковой поверхности фундамента мерзлых грунтов при различных температурах и в процессе оттаивания, реализующее вышеуказанный способ состоит из плоской пластины, выполненной из материала фундамента, мерзлого грунта в металлической обойме, примороженного к пластине, сдвигающего нагрузочного устройства и системы измерения перемещений, причем устройство дополнительно содержит прижимающее нагрузочное устройство, а также первый и второй упругие элементы, при этом примороженный к пластине грунт представляет собой керн, разрезанный вдоль оси пополам, помещенный в металлическую полуцилиндрическую обойму, размещенную неподвижно с двух сторон от пластины, касательная сдвигающая нагрузка передается на пластину с помощью первого упругого элемента, а нормальная нагрузка передается на пластину с помощью второго упругого элемента.

Упругие элементы могут быть выполнены в виде динамометра с винтом или в виде гидродомкрата.

Заявленные изобретения поясняются чертежом, где на Фиг. 1. показана принципиальная схема установки для определения сопротивления по боковой поверхности свай в вечномерзлых грунтах при различных температурах, где 1 - пластина, изготовленная из материала сваи; 2 - полукерн мерзлого грунта, примороженного к пластине; 3 - полуцилиндрическая металлическая обойма; 4 - месдозы; 5 - нагрузочные винты; 6 - система измерения перемещений; 7 - станина и нагрузочная рама.

Устройство состоит из двух полуцилиндрических металлических обойм, в которые помещают две половинки керна грунта, извлеченного из скважины и распиленного пополам, станины и нагрузочной рамы с винтами и месдозами, играющими роль упругого элемента для создания сдвигающей (продавливающей или выдергивающей) нагрузки и нагрузки, прижимающей грунт в центральной пластине, моделирующей боковую поверхность свайного фундамента, устройства для измерения перемещений центральной пластины (фиг.1). Устройство снабжено винтами с месдозами для создания прижимающей и сдвигающей нагрузки, что дает возможность проводить испытания в режиме ползучести -релаксации. Обойма, в которую помещают распиленный пополам керн грунта, выполнена в виде половинок труб, распиленных вдоль диаметра.

Способ реализуется следующим образом.

Из извлеченного из скважины, в которую будет помещена впоследствии свая, керна мерзлого грунта изготавливают, путем обрезки вдоль диаметра керна образец, который помещают в металлическую обойму, состоящую из двух половинок металлических кусков труб, разделенных вдоль диаметра. В пропил керна устанавливают прямоугольную пластину, выполненную из того же материала, что и свая и размещают на основании. Половинки труб, служащие обоймой, с помещенными в них половинками керна грунта прижимают с помощью обоймы и винтов с месдозой к установленной по центру пластине, моделирующей боковую поверхность свайного фундамента. Величина обжатия определяется исходя из технологии изготовления свай. Если свая погружается в скважину и затем заливается шламом (смесь грунта с водой), то образец примораживается к основанию через прослойку шлама. Прижимающая образец нагрузка должна соответствовать давлению от веса шлама (водно-грунтовой смеси) на данной глубине. Если свая погружается в лидерную скважину меньшего размера, чем свая, то с помощью винта штампом задаются деформации, аналогичные радиальным деформациям грунта при внедрении сваи (фиг. 1).

Далее образец с основанием помещают в морозильную камеру и примораживают половинки керна в обоймах к центральной пластине. Температура в камере задается равной максимальному значению отрицательной температуры массива.

Затем к образцу, через упругий элемент прикладывают ступенями сдвигающую нагрузку и каждую ступень испытывают в режиме ползучести-релаксации до стабилизации значений релаксирующей сдвигающей нагрузки.

После того, как значения текущей стабилизированной нагрузки будет равно значению стабилизированной нагрузки предыдущей ступени можно считать, что образец находится в состоянии, близком к предельному.

Далее величину отрицательной температуры уменьшают (например, от значения -8°С до значения -6°С) и определяют значение стабилизированной сдвигающей нагрузки при новом значении отрицательной температуры.

Повторив вышеописанную операцию несколько раз при различных значениях температур, по максимальным стабилизированным значениям сдвигающей нагрузки при данной температуре определяют значения сопротивления по боковой поверхности сваи при различных значениях отрицательных температур и в процессе оттаивания.

Искомую величину R_aƒ,i определяют из выражения:

Где Τ - сдвигающая нагрузка;

A_aƒ,i - площадь смерзания центральной пластины с грунтом.

Учитывая простоту реализации эксперимента, можно, проведя несколько серий экспериментов, уточнить табличные значения сопротивления сваи по боковой поверхности для конкретных грунтов, залегающих в районе исследований, с учетом технологии их устройства и тем самым повысить точность определения несущей способности свай расчетным путем.

Уточнить значение расчетного сопротивления под нижним концом свай можно путем проведения штамповых испытаний в скважинах.

Таким образом, в процессе проходки скважины для последующей установки сваи можно отобрать керны грунта и, при наличии соответствующего простого оборудования, произведя вышеописанные испытания можно расчетно-экспериментальным путем более точно определить несущую способность конкретной сваи при различных значениях отрицательной температуры и в процессе оттаивания. При этом несущая способность сваи под нижним концом и по боковой поверхности при различных значениях отрицательных температур будет определена раздельно.

Таким образом заявленная группа изобретений обеспечивает повышение точности определения несущей способности сваи в мерзлых грунтах (за счет определения величины R_aƒ,i непосредственно из эксперимента по испытанию грунтов, залегающих вокруг сваи) и повышение точности и информативности испытаний (за счет того, что величина R_aƒ,i определяется при различных значениях отрицательных температур и при оттаивании грунта). Это в свою очередь дает возможность прогнозировать изменение несущей способности сваи при изменении температурного поля массива и в случае его оттаивания.

Изобретение относится к области строительства, в частности к способам определения несущей способности фундаментов в вечномерзлых грунтах. Способ определения удельных сил сопротивления по боковой поверхности свайного фундамента в мерзлых грунтах при различных температурах и в процессе оттаивания заключается в том, что к модели свайного фундамента в виде прямоугольной пластины, сделанной из материала фундамента, примораживают мерзлый грунт при фиксированном значении отрицательной температуры, к пластине прикладывается нормальная, прижимающая пластину к грунту и постоянно увеличивающаяся сдвигающая нагрузка и по величине сдвигающей нагрузки, при которой происходит сдвиг пластины относительно грунта, судят о величине удельного сопротивления мерзлого грунта по боковой поверхности фундамента. Примораживаемый грунт извлекают из керна при бурении скважины для сваи, керн распиливают напополам в плоскости диаметра и каждую его половину заключают в металлическую обойму. Грунт прижимают с двух сторон к пластине с помощью винтов с месдозами на конце с усилием. Сдвигающую возрастающую нагрузку прикладывают ступенями через упругий элемент, каждую ступень релаксирующей сдвигающей нагрузки выдерживают до ее стабилизации, после того как стабилизированное значение релаксирующей последующей ступени нагрузки будет равно предыдущему, абсолютное значение отрицательной температуры грунта уменьшают и фиксируют новое стабилизированное значение релаксирующей сдвигающей нагрузки при данной температуре, далее последнюю операцию повторяют до полного оттаивания грунта и по величинам стабилизированного значения релаксирующей касательной нагрузки при различных значениях температуры судят о величине удельных сил сопротивления по боковой поверхности свайного фундамента при различных значениях отрицательных температур. Технический результат состоит в обеспечении повышения точности определения несущей способности сваи в мерзлых грунтах и повышении точности и информативности испытаний, что позволит прогнозировать изменение несущей способности сваи при изменении температурного поля массива и в случае его оттаивания. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения удельных сил сопротивления по боковой поверхности свайного фундамента в мерзлых грунтах при различных температурах и в процессе оттаивания, заключающийся в том, что к модели свайного фундамента в виде прямоугольной пластины, сделанной из материала фундамента, примораживают мерзлый грунт при фиксированном значении отрицательной температуры, к пластине прикладывается нормальная, прижимающая пластину к грунту и постоянно увеличивающаяся сдвигающая нагрузка и по величине сдвигающей нагрузки, при которой происходит сдвиг пластины относительно грунта, судят о величине удельного сопротивления мерзлого грунта по боковой поверхности фундамента, отличающийся тем, что примораживаемый грунт извлекают из керна при бурении скважины для сваи, керн распиливают напополам в плоскости диаметра и каждую его половину заключают в металлическую обойму, грунт прижимают с двух сторон к пластине с помощью винтов с месдозами на конце с усилием, сдвигающую возрастающую нагрузку прикладывают ступенями через упругий элемент, каждую ступень релаксирующей сдвигающей нагрузки выдерживают до ее стабилизации, после того как стабилизированное значение релаксирующей последующей ступени нагрузки будет равно предыдущему, абсолютное значение отрицательной температуры грунта уменьшают и фиксируют новое стабилизированное значение релаксирующей сдвигающей нагрузки при данной температуре, далее последнюю операцию повторяют до полного оттаивания грунта и по величинам стабилизированного значения релаксирующей касательной нагрузки при различных значениях температуры судят о величине удельных сил сопротивления по боковой поверхности свайного фундамента при различных значениях отрицательных температур.

2. Устройство для определения удельных сил сопротивления по боковой поверхности фундамента мерзлых грунтов при различных температурах и в процессе оттаивания, реализующее способ по п. 1, состоящее из плоской пластины, выполненной из материала фундамента, мерзлого грунта в металлической обойме, примороженного к пластине, сдвигающего нагрузочного устройства и системы измерения перемещений, отличающееся тем, что дополнительно содержит прижимающее нагрузочное устройство, а также первый и второй упругие элементы, при этом примороженный к пластине грунт представляет собой керн, разрезанный вдоль оси пополам, помещенный в металлическую полуцилиндрическую обойму, размещенную неподвижно с двух сторон от пластины, касательная сдвигающая нагрузка передается на пластину с помощью первого упругого элемента, а нормальная нагрузка передается на пластину с помощью второго упругого элемента.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что упругие элементы выполнены в виде динамометра с винтом.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что упругие элементы выполнены в виде гидродомкрата.