В статье рассматривается развитие и уточнение методов расчета армированных оснований фундаментов путем внедрения в исследуемую область решений теорий упругости, пластичности и механики грунтов.
Ключевые слова: теория упругости, пластичности.
The article discusses the development and refinement of methods for calculating reinforced foundations by introducing solutions to the theories of elasticity, plasticity and soil mechanics into the studied area.
Keywords: theory of elasticity, plasticity.
В настоящее время при устройстве фундаментов мелкого заложения на слабых основаниях распространение получили следующие группы способов повышения несущей способности основания: поверхностное и глубинное уплотнение, закрепление грунтов, устройство искусственного основания. Метод устройства армированных грунтовых подушек, относящийся к последней группе способов усиления основания, в последнее время получает все более широкое распространение.
К главным задачам, на решение которых нацелен метод устройства армированных грунтовых подушек, относятся: повышение прочности и устойчивости основания; снижение деформаций.
Несмотря на широкое применение армирования для усиления основания и использование разнообразных материалов в качестве армирующих элементов, вопрос дальнейших исследований в этой области остается актуальным. Причины заключаются в недостаточной изученности следующих вопросов: 1) совместной работы армирующих элементов и грунта; 2) зависимости прочности и устойчивости основания от способа армирования и применяемого вида армирующего материала; 3) поведения и изменения во времени прочностных и деформационных характеристик основания под воздействием длительных статических и циклических нагрузок; 4) отсутствие норм проектирования.
В связи с отсутствием методов расчета, полностью отражающих вышеназванные условия, необходимы решения инженерных задач, основанных на современных расчетных моделях строительной механики и геомеханики. Наиболее пригодными для этой цели являются линейные или нелинейные версии метода конечных элементов (МКЭ).
В связи со всем вышеизложенным, дальнейшее продолжение исследований армированных оснований является актуальным в настоящее время.
Достоинства данного метода заключаются в следующем:
— экономия бетона, используемого для устройства фундаментов;
— равномерное распределение напряжений, передающихся на подстилающий слой под армированной грунтовой подушкой;
— повышение устойчивости основания фундаментов и его прочностных характеристик;
— снижение неравномерных деформаций.
В настоящее время выделяют три основных метода улучшения строительных свойств оснований [1]:
— уплотнение грунтов;
— закрепление грунтов;
— конструктивные методы.
Подробная классификация методов представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Классификация методов улучшения строительных свойств оснований
Одним из наиболее востребованных конструктивных методов является устройство грунтовых подушек, т. е. замена структурно неустойчивого или слабого грунта непосредственно под подошвой фундамента более прочным, малосжимаемым. Технология устройства подушки заключается в отсыпании слоями грунта оптимальной влажности с последующим уплотнением этих слоев до плотности, соответствующей проектной.
Преимущества данного метода заключаются в следующем: возможности его использования в условиях плотной застройки, которая не допускает применения тяжелых трамбовок; возможности укладки уплотненного слоя значительно большей толщины, чем при поверхностном уплотнении.
Применение подушек способствует снижению материалоемкости фундамента здания и сооружения, повышению устойчивости и несущей способности основания, снижению и выравниванию осадок. Достоинства грунтовых подушек: простота производства работ, использование местных материалов, возможность полной механизации, послойного мониторинга за состоянием грунтов при укладке.
Конструктивный метод улучшения искусственного основания посредством устройства грунтовой подушки имеет свои недостатки. Очень часто при необходимости повышения несущей способности основания до необходимой величины возникает необходимость увеличения геометрических размеров песчаной подушки, что в свою очередь повышает ее материалоемкость и трудоемкость производства работ. Увеличение габаритных размеров может быть продиктовано возрастанием нагрузок на фундаменты, параметрами возводимого здания или сооружения. Решить проблему повышения несущей способности песчаной подушки без увеличения ее геометрических размеров возможно с помощью введения в тело подушки армирующих элементов.
Армирование грунтов используется с целью повышения прочности и устойчивости грунта основания, снижения его сжимаемости. Технология устройства заключается во введении в тело основания армирующих элементов, имеющих высокое сцепление и трение с грунтом, а также имеющих высокие прочностные характеристики.
Х. А. Турсунов при исследовании влияния армирования на свойства просадочных грунтов установил, что любой тип армирования уменьшает просадочные свойства грунта, а горизонтальное армирование уменьшает глубину сжимаемой толщи и увеличивает размеры деформируемой зоны по ширине.
Рис. 2. Зависимость величин разрушающих нагрузок (а), горизонтальных перемещений и осадки модели (б) от расстояния до вертикально (1) и горизонтально (2) расположенных стержней
В работе Р. А. Мангушева, и Р. А. Усманова установку армирующих элементов в теле подушек рекомендовано производить согласно схеме, приведенной на рисунке 3.
Рис. 3. Схема армирования песчаной подушки
1 — слабый водонасыщенный грунт; 2 — песчаная подушка; 3 — армирующие элементы
Число армирующих элементов в теле подушки необходимо назначать не менее четырех. При проектировании уплотненной армированной подушки величину среднего давления от условного фундамента на уровне кровли слабого слоя основания определяли по формуле:
𝑝𝐼𝐼 = ∑ 𝑁𝐼𝐼⁄𝐴𝑐𝑧,(1.1)
где ∑ 𝑁𝐼𝐼 = 𝑁𝐼𝐼 + 𝑁фг + 𝑁𝑐𝑧 — сумма всех действующих нагрузок на уровне кровли слабого слоя, 𝐴𝑐𝑧 — площадь подошвы уплотненной армированной подушки на уровне кровли слабого слоя грунта.
Применение указанных подушек позволяет в 1,5…3 раза уменьшить их толщину по сравнению с традиционно применяемыми методами, а также уменьшить размеры фундаментов. Обладая большой распределительной способностью (жесткостью), они позволяют снизить величину вертикального сжимающего напряжения 𝜎𝑧𝑝 на слабый слой грунта основания до величины его структурной прочности (𝜎𝑧𝑝 ≤ 𝑝𝑠𝑡𝑟)
В работе М. А. Горбуновой и В. И. Клевеко предложена методика расчета армированного вертикальными элементами основания:
𝑃 ≤ 𝑐𝑡𝑔𝜑𝑇 + 𝑁𝑐,(1.2)
где 𝑃 — нагрузка на армированный массив, 𝑇 — сопротивление армированного грунтового массива сдвигу, 𝑁𝑐 — сопротивление армированного грунтового массива сжатию в средней части.
Рекомендуется общую осадку армированного основания определять:
𝑆общ ≤ 𝑆б + 𝑆аэ + 𝑆у,(1.3)
где 𝑆общ — общая осадка армированного основания, 𝑆б — осадка грунтовой подушки, 𝑆аэ — осадка армированного основания, 𝑆у — осадка фундамента.
По итогам исследований соотношение между величиной осадок неармированного грунта и армированного грунтов составляет 1,3–3,3 раза, в зависимости от типа армирования. В целях сопоставления фактических и прогнозируемых значений осадок был произведен расчет величины осадки аналитическим методом по формуле Шлейхера. Конечная величина осадки отличалась в 3 раза.
Литература:
- СНиП 2.01.07–85* «Нагрузки и воздействия».
- СНиП 2.03.01–84*. «Бетонные и железобетонные конструкции».
- Мангушев, Р. А. Методы подготовки и устройства искусственных оснований / Р. А. Мангушев, Р. А. Усманов, С. В. Ланько, В. В. Конюшков. — М. — СПб. Изд-во АСВ, 2012. — 280с.
- Анализ влияния различных типов армирования на деформационные характеристики глинистого грунта / А. Н. Богомолов, А. Б. Пономарев, А. В. Мащенко, А. С. Кузнецова // Интернет-вестник ВолгГАСУ. — 2014. — № 4(35). 5. 11.5.Попов, А. О. Несущая способность и осадки грунтовых оснований, армированных вертикальными элементами / А. О. Попов // Промышленное и гражданское строительство. — 2014. — № 11. — С. 27–31.
