МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ МОРСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ТУГАЄНКО Юрій Федорович

УДК 624.13; 624.15

ПРОЦЕСИ РОЗВИТКУ ДЕФОРМАЦІЙ В ПІДВАЛИНАХ ФУНДАМЕНТІВ,

СПОСОБИ ЇХ ОБМЕЖЕННЯ І МЕТОДИ ОЦІНКИ

Спеціальність 05.23.02 - Підвалини та фундаменти

Автореферат

Дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ОДЕСА – 2005

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва та архітектури (ОДАБА) Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти:

? Доктор технічних наук, професор Черний Гелій Іванович, Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, головний науковий спеціаліст, м. Київ.

? Доктор технічних наук, професор Зоценко Микола Леонідович, Полтавський національний технічний університет ім. Юрія Кондратюка, завідувач кафедри видобування нафти і газу та геотехніки.

? Доктор технічних наук, професор Шаповал Володимир Григорович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри основ і фундаментів, м. Дніпропетровськ.

Провідна установа ? Київський національний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, професор кафедри основ і фундаментів.

Захист відбудеться „_15_” _ червня________2005 р. о _14____годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.060.01 в Одеському національному морському університеті за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Мечнікова, 34.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського національного морського університету за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Мечнікова, 34.

Автореферат розісланий „..6.......” .......травня........................2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доц. Єфремова Н.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У діючих нормах деформації в основах фундаментів будинків і споруд визначаються без урахування фактичних параметрів деформативных властивостей ґрунтів. Умовна глибина стисливої товщі знаходиться по співвідношенню напруг від додаткового навантаження і власної ваги ґрунту. Модуль деформації - за результатами осідання фундаменту, отриманими при випробуваннях штампами без вимірів фактичних параметрів зони деформації. У результаті, одержані в експериментах, розміри зони деформації й осідання фундаментів відрізняються від розрахункових. При розробці нових конструкцій фундаментів і способів зниження стисливості ґрунтів не завжди враховуються фактичні параметри зони деформації.

Актуальність полягає: а) в експериментальному обґрунтуванні методів визначення параметрів деформування ґрунтів, підвищенні вірогідності оцінки деформацій основ, що дозволяють реально оцінити спільну роботу основи і фундаментів; б) у розробці нових конструкцій фундаментів і способів зниження стисливості ґрунтів у межах фактичної глибини зони деформації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами. Робота виконувалася по багаторічній проблемі кафедри основ і фундаментів ОГАСА (1972 - 89 рр.): "Експериментальні дослідження деформацій в основах фундаментів і пальових фундаментів. Розробка і упровадження фундаментів нових економічних конструкцій", включеної у перелік важливіших НДР Міністерства вищої освіти УРСР. За результатами виконаних досліджень представлено 22 науково - технічних звіта, у тому числі 20 під науковим керівництвом автора. Їхній перелік, номери державної реєстрації й інвентарні номери інформаційного центра приведені в додатку А дисертації.

Мети і задачі досліджень. Основна мета - розробка методів визначення параметрів деформативних властивостей ґрунтів і використання їх для оцінки осідань фундаментів. Експериментальне обґрунтування нових конструкцій фундаментів, способів посилення основ і методів прогнозу деформацій у підвалинах фундаментів. При виконанні роботи вирішувалися наступні задачі:

розробка і застосування нових методів вимірів деформацій в основах дослідних фундаментів і фундаментів будинків і споруд;

виявлення параметрів, які впливають на розвиток деформацій в основах фундаментів і розробка методів їхнього одержання в польових умовах;

розробка, експериментальне обґрунтування і дослідна перевірка на споруджуваних об'єктах нових методів улаштування основ і фундаментів;

дослідження тривалості процесів наростання деформацій в основах фундаментів будинків і споруд;

розробка методів прогнозу деформацій підвалин фундаментів.

Об'єкт досліджень - властивості ґрунтів, що визначають процеси їхнього деформування під дією зовнішнього навантаження.

Предмет досліджень - деформації в ґрунтах основи, їхня оцінка методи визначення і способи зниження стисливості.

Методи досліджень. Деформації в ґрунтах виникають на контактах між мінеральними частинками. Їхнім результатом є ущільнення і бічне розширення об’єму ґрунту під площею підошви. Осідання фундаменту є сумою осідань за рахунок деформацій ущільнення і бічного переміщення. Виміри переміщень під підошвою фундаменту і за її межами виконані за допомогою глибинних марок і фіксаторів. За значеннями щільності ґрунту до і після досвіду визначене осідання за рахунок ущільнення. Комплекс вимірів дозволив визначити параметри зони деформації, частку осідань за рахунок ущільнення і бічного розширення.

Наукова новизна полягає в наступному:

1. Розроблені під керівництвом здобувача, захищені авторськими посвідченнями і застосовані в дослідженнях нові прилади і методи вимірів деформацій в основах фундаментів.

2. Виявлено вплив пружної частини осідання фундаменту на процес деформування, як складової при визначенні структурної міцності.

3. Визначено критерії для оцінки стисливості. Стисливість є функцією ущільнення при даній напрузі. Частка бічних деформацій залежить від розмірів фундаменту, його форми і стисливості грунту.

4. Дослідами в польових умовах установлений факт зростання структурної міцності, у часі, у лесових суглинках зі зруйнованими зв'язками. Це не збігається з думкою Н.Я.Денисова про "... незворотне руйнування цементації ...для переважної більшості ґрунтів".

5. Експериментально обґрунтовані умови визначення границі зони деформації на глибині, де сума напруг від усіх видів навантажень дорівнює структурній міцності. Це відрізняється від прийнятого, у діючих нормах, принципу визначення умовної глибини стисливої товщі.

6. Уперше виявлений вплив форми і конструкції фундаментів на величину тиску по їхній підошві і розвиток деформацій в основі.

Практичне значення отриманих результатів

1. Застосування розроблених комплексів з підвищеною точністю вимірів деформацій дозволило вивчити додаткові параметри деформування ґрунтів.

2. Результати досліджень деформацій у підвалинах і розроблені на їхній основі нові економічні конструкції фундаментів застосовані:

2.1. При будівництві будинків і споруд на об'єктах Одеського домобудівного комбінату, трестів "Одессгражданжилстрой", "Промстрой", "Укрбытпромстроймонтаж", "Брянскстрой" і ін. (регіональні особливості будівлі ґрунтової товщі, пірамідальні палі, шпально-балкові фундаменти, забивні фундаменти ущільнюючі ґрунт і ін.). Акти економічної ефективності на суму 3,37 млн. рубл. у цінах до 1988 р. і 311,8 тис. грн, у цінах 2000 р. приведені в додатку Б дисертації.

Особистий внесок здобувача

У дослідженнях виконаних під науковим керівництвом В.Н.Голубкова здобувач був виконавцем. Внесок здобувача в розробці методів вимірювання деформацій в основах фундаментів, організації і проведенні досліджень, обробці й аналізі отриманих результатів.

Внесок здобувача у дослідженнях, виконаних при його науковому керівництві – концепція, організація і реалізація натурних досліджень деформацій в основах дослідних фундаментів, фундаментів будинків та споруд. Розробка, організація виготовлення і впровадження нових вимірювальних комплексів. Узагальнення результатів досліджень. Розробка технічних рішень і керівництво виправленням нерівномірних деформацій будинків і споруд.

Апробація результатів дисертації

Результати досліджень розглянуті: на 6-ти всесоюзних нарадах (Новосибірськ - 1966; Київ - 71; Алма-Ата - 77; Ростову-на-Дону - 80; Москва - 87; Санкт-Петербург - 93); 7-ми республіканських конференціях (Одеса - 70; Ленінград - 74; Барнаул - 80; Одеса – 97; Київ - 00; Одеса – 01; Одеса - 04 ); 2-х міжнародних конференцій (Бухарест - 71; Братислава - 77);

Публікації. Основні матеріали досліджень опубліковані:

а) у монографії – 1; б) у брошурах - 2; в) у міжвідомчих тематичних, науково-технічних збірниках: (мм. Київ, Казань) - 23. У збірниках наукових праць - 7. г) у журналах: "Основи, фундаменти і механіка ґрунтів" (Москва) - 8; "Інженерна геологія" (Москва) - 2; "Вісті Вузів серія будівництво та архітектура" (Новосибірськ) - 9; "Промислове будівництво та інженерні споруди" (Київ) - 3; Сільське будівництво (Київ) - 1.Будівництво України (Київ) - 1. д) в авторських свідоцтвах на винаходи - 5; е) у матеріалах всесоюзних і республіканських конференцій - 5; українських нарад - 3; міжнародних - 2; ж) у щорічниках Вищого інституту по архітектурі і будівництву (Софія,Болгарія) -2. з) у вказівках по проектуванню і улаштуванню фундаментів з пірамідальних паль (РСН 224 -75) Держбуду УРСР. - 1;

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 8-ми розділів, висновків, списку використаних джерел – 315 і двох додатків. Обсяг дисертації 269 сторінок, 134 рисунка і 43 таблиці.

ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі виконаний аналітичний огляд розвитку методів і результати досліджень деформацій в основах дослідних фундаментів, пальових фундаментів і фундаментів будинків і споруд.

Уперше результати візуальних спостережень деформацій у лабораторних умовах отримані В.І. Курдюмовим (1890 р.), а потім W. Aichorn (1932 р.). Ці дослідження показали обмеженість зони деформації. Перші виміри пошарових переміщень в основі фундаменту будівлі проведені Д.Е. Польшиним і Р.А.Токарем (1935 р.), а потім К.Е. Егоровим, що поклали початок дослідженням деформацій в основі дослідних фундаментів, у польових умовах, і вивченню деформацій в основах фундаментів будівель і споруд.

Експериментальні дослідження деформацій в овновах дослідних фундаментів, початі Х.Р. Хакімовим (1938р.) продовжили, у післявоєнні роки,

багато дослідників: А.А. Бартоломей; О.В.Голлі ; В.Н.Голубков; Б.И.Далматов; М.К.Єфремов; П.А.Коновалов; В.Б.Швець; I.Feda; I.Havlicek; I.Seycek і ін.

У 1930...35 рр. початі дослідження властивостей лесових просідаючих ґрунтів з розробкою методів їхньої оцінки і рекомендацій для використання як основи фундаментів будинків і споруд (Ю.М.Абелев; Н.Я.Денисов; Р.А.Токарь і ін.). В післявоєнні роки виконаний значний обсяг теоретичних і експериментальних досліджень по вивченню деформативних властивостей просідаючих і слабких глинистих ґрунтів. Запропоновано методи будівництва на слабких ґрунтах. Дослідження проводили багато вчених: Ю.М.Абелев ; М. Ю. Абелев; І.П.Бойко; М.М.Герсеванов; М.Н.Гольдштейн; В.М.Голубков; А.Л.Готман; А.А.Грігорян; М.Я.Денісов; А.И.Догадайло; А.М.Дранніков; М.Ф.Друкований; М.Л.Зоценко; Р.М.Кодрянова; Л.І.Колесников; М.В.Корнієнко; В.Ф.Краєв; В.І.Крутов ; С.Г.Кушнер; С.Я.Кушнір; О.К.Ларіонов; І.Я.Лучковський; А.А.Петраков; И.Г.Рабінович; І.Е.Раєвський; Б.А.Сальников; Е.А.Сорочан; В.І.Хазін; М.А.Цитович ; Г.І.Черний; В.Г.Шаповал; В.Б.Швець; В.А.Юдин; У.Хольц; Дж.Хилф; V.Parlea і ін. У проведенні досліджень і розробці способів будівництва на просідаючих і слабких ґрунтах брав участь здобувач.

У другому розділі сформульовані мета і задачі досліджень, основні положення методики. Основна мета - вивчення параметрів, що визначають деформативні властивості ґрунтів. Розробка на їхній основі нових конструкцій фундаментів, способів посилення підвалин і методів прогнозу деформацій основ фундаментів. При виконанні роботи вирішувалися наступні задачі:

Удосконалення існуючих і розробка нових методів вимірів деформацій в основах дослідних фундаментів і фундаментів будинків і споруд.

Визначення параметрів, впливаючих на розвинення деформацій в основах фундаментів і розробка методів їхнього одержання в польових умовах: структурна міцність, стисливість і ін.

Розробка, експериментальне обґрунтування і дослідна перевірка, при зведенні будівель, нових методів улаштування основ і конструкцій фундаментів що знижують деформативні властивості ґрунтів.

Дослідження тривалості процесів наростання деформацій в основі фундаментів будівель і споруд.

Розробка методів прогнозу деформацій грунтів підвалин фундаментів на основі отриманих параметрів деформативних властивостей ґрунтів.

Методикою досліджень забезпечувалося застосування кількох методів фіксації деформацій в основі фундаментів і дублювання вимірів.

Виміри деформацій в основах дослідних фундаментів виконувалися за допомогою глибинних марок, фіксаторів деформацій і визначення щільності сухого ґрунту в поперечному перерізі основи до і після досліду. Фіксатори деформацій і глибинні безконтактні марки розроблені за участю здобувача. Їх конструкції і способи влаштування захищені 11 авторськими свідоцтвами на винаходи.

В основах фундаментів будинків і споруд застосовані конструкції глибинних марок і методів вимірів, розроблених за участю здобувача для умов тривалих спостережень. В усіх дослідженнях передбачене дублювання вимірів (на кожній позначці закладено не менш двох глибинних марок, виміри їхніх переміщень виконувалися двома або трьома незалежними методами).

У розділі 3 наведені основні результати досліджень розвитку процесу деформування ґрунтів в підвалинах дослідних фундаментів. В експериментах розвиток деформацій від тисків, переданих фундаментом, зафіксований в обмеженій зоні по глибині, під площею його підошви й у сторони, за межі вертикальної поверхні по контуру фундаменту.

В основах фундаментів спостерігаються два види деформацій пружні і залишкові. Пружня складова деформацій одержана за методикою східчасто зростаючого навантаження з розвантаженням фундаменту після кожної проміжної ступіні. Глибина зони пружних деформацій більше глибини, у межах якої розвиваються залишкові, деформації. Наростання залишкових деформацій спостерігається при тиску по підошві фундаменту перевищуючому структурну міцність. Частка осідань дослідних фундаментів за рахунок залишкових деформацій, в основах складених водонасиченими ґрунтами, представленими лесовими суглинками склала 86...87 %; лесовими супісками - 97...98 %, а щільними піщаними ґрунтами - 85...92 % .

Основними параметрами розвитку залишкових деформацій у межах об’єму зони деформації є структурна міцність і стисливість.

Структурна міцність це міра граничного опору руйнуванню міжчастичних зв'язків, після якого розвиваються залишкові зміщення мінеральних часток, що супроводжуються зниженням пористості ґрунту.

У проведених дослідженнях для вимірів залишкових деформацій застосовані фіксатори деформацій, глибинні марки і визначення щільності сухого ґрунту в поперечному перерізі основи, наприкінці експерименту.

Залишкові деформації розвиваються при напругах, що перевищують структурну міцність ґрунту в межах об’єму зони деформації, нижня границя якої знаходиться на глибині, де напруги від усіх видів навантажень рівні структурній міцності.

Рис. 1. Развиток деформацій в основах фундаментів. Принцип визначення структурної міцності по результатам польових випробувань.

За даними досліджень запропоновані і апробовані методи одержання структурної міцності за даними вимірів пошарових переміщень при кожній ступіні навантаження, і після його зняття. Її значення, на позначці підошви фундаменту, визначається за графіками залежностей залишкових значень осідання і глибини зони деформації, в точці їх перетину з віссю тисків (див. рис. 1). Значення структурної міцності на нижній границі зони деформації дорівнює сумі напруг від навантаження фундаментом і власної ваги ґрунту.

На рис.2 наведені графіки кількісних значень структурної міцності, одержані для двох верхніх шарів лесового суглинку і супіску у водонасиченому стані для Одеського регіону і щільних водонасичених піщаних ґрунтів промислової зони, складеної лимано-морськими відкладами. Відхилення отриманих результатів досліджень фундаментами різної площі від середніх значень не перевищують ± 10 %. Значення структурної міцності змінюються по глибині основи .

Рис.2. Графіки структурної міцності по глибині, визначені за результатами польових досліджень.

Дослідами визначено вплив складу і стану ґрунтів на величину структурної міцності. У лесових ґрунтах її значення знижується при підвищенні вологості. Так, у шарі лесового супіску (ІГЕ - 3), значення структурної міцності рівне 128...132 кПа при природній вологості (0,15...0,17), знижується до 70...80 кПа у водонасиченому стані.

Дослідженнями зафіксоване зниження природного значення структурної міцності в основі фундаменту, в межах об’єму деформованої зони.

У глинистих ґрунтах з порушеною структурою значення структурної

міцності зростає при підвищенні щільності. При постійній щільності її значення зростає в часі.

Просідання основи, складеної лесовими ґрунтами, виникає при його замочуванні в результаті якого знижується структурна міцність і зростає стисливість.

Стисливість ґрунту є мірою його деформативних властивостей. Осідання дослідного фундаменту, одержане в експериментах, не може служити достовірним критерієм для визначення стисливості. Вона є зовнішнім показником усіх видів деформацій які розвиваються в його основі.

Від тиску переданого фундаментом, під площею його підошви розвиваються два види деформацій: ущільнення і бічного розширення.

Основним показником стисливості варто вважати відносну деформацію за рахунок ущільнення. При ущільненні знижується пористість, підвищується щільність сухого ґрунту. У виконаних дослідженнях частку осідання за рахунок ущільнення можна одержати за результатами визначення щільності сухого ґрунту під площею підошви фундаменту по залежності:

s n = На n (1)

де На - глибина зони деформації; n =1 d d, com - відносна деформація за рахунок ущільнення. Тут d і d,com - середні значення щільності сухого ґрунту в межах глибини зони деформації до і після проведення випробувань.

Частина осідання за рахунок бічних деформацій sv є різницею осідань загального і за рахунок ущільнення:

sv = s s n (2)

Частина осідання за рахунок ущільнення залежить від розміру фундаменту,

тиску по його підошві, природній щільності ґрунту і його деформативних властивостей. За результатами виконаних досліджень і опублікованих матеріалів отримані кількісні значення деформацій, що розвиваються в основах фундаментів. В основах фундаментів площею 0,5...1,0 м?, складених лесовими, водонасиченими супісками, в інтервалі тисків 200...300 кПа, частина осідання за рахунок ущільнення склала 50...57 % , а площею 0,25...0,04 м? - 47...42 % .

В основі фундаментів площею 1,0 м? складених щільними, піщаними водонасиченими ґрунтами частина осідання за рахунок ущільнення, в інтервалі тисків 200...400 кПа, склала 70...80 % .

Рис. 3. Залежності відносних деформацій від напруг для лессовых и щільних піщаних грунтів Одеського регіону.

Основним критерієм для оцінки стисливості ґрунтів в основі фундаменту, при даній напрузі, варто вважати відносну деформацію за рахунок ущільнення.

На рис. 3 приведені графіки залежності відносної деформації від напруги, одержані за результатами польових досліджень для: а) лесового водонасиченого супіску (ІГЕ - 3); б) щільного піщаного ґрунту.

Виконані дослідження дозволили одержати наступні результати:

1. Об’єм зони залишкових деформацій формується усередині об’єму зони пружних деформацій при напругах, перевищуючих структурну міцність.

2.В загальному осіданні частка залишкових деформацій в сильностисливих ґрунтах досягає 97...98 % , а в середньо і молостисливих - 85...90%.

3. Межа зони залишкових деформацій знаходиться не глибині де сума напруг від зовнішнього навантаження і власної ваги ґрунту дорівнює структурній міцності.

4. Структурна міцність в ґрунтах з непорушеною структурою залежить від складу і стану ґрунтів. У піщаних ґрунтах її значення нижче, ніж у лесових, водонасичених. У лесових суглинках і супісках значення структурної міцності знижується при підвищенні вологості. У глинистих ґрунтах з порушеною структурою її значення залежить від щільності, вологості і "віку" (тривалості відновлення структурних зв'язків).

5. Показником стисливості ґрунту може служити відносна деформація і її залежність від напруги.

6. Відносна деформація в основі фундаменту складається з деформацій ущільнення і бічного розширення, що розвиваються під площею його підошви.

7. Відносна деформація ущільнення є фактичним показником стисливості.

8. За результатами досліджень отримані кількісні показники структурної міцності і стисливості для ІГЕ які використовуються в якості несучих шарів для стовпчастих і стрічкових фундаментів.

У розділі 4 приведені результати досліджень процесу наростання деформацій в ґрунтах основи фундаментів 11 будинків і споруд. Виміри виконані в період будівництва і протягом експлуатації з тривалістю спостережень від 12 до 30 років.

Дослідження проведені за допомогою глибинних марок, розроблених здобувачем під керівництвом В.М. Голубкова, з використанням методики дублювання вимірів. Результати спостережень осідань фундаментів і переміщень глибинних марок, дозволили одержати значення глибини зони деформації на більшості об'єктів, і визначити в її межах кількісні показники параметрів деформативних властивостей ґрунтів: відносну деформацію і структурну міцність.

Відносна деформація визначена для кожного шару (або його фрагмента), що знаходиться між суміжними марками по глибині, при проміжних тисках по підошві фундаменту, що зростають у період будівництва. Значення структурної міцності отримано в точці перетину з віссю напруг залежності відносної деформації від напруги.

Багаторічні спостереження процесів розвитку деформацій в основі фундаментів житлових багатоповерхових будинків (6 об'єктів) виконані на ділянках забудови житлових масивів. Об’єкти побудовані на лесових, водонасичених ґрунтах, представлених суглинками - ІГЕ 2; 4; 6 і супісками - ІГЕ - 3; 5. Одержані значення глибини зони деформації менше, а осідання фундаментів більше розрахункових (табл. 1 і рис. 4).

На рис. 4, для трьох об'єктів, показані епюри деформацій, розрахункові і зміряні в проведених експериментах.

Рис. 4. Розрахункові (суцільна лінія) і одержані в дослідах (пунктир) деформації в основах фундаментів багатоповерхових будинків.

На рис. 5 приведені залежності відносних деформацій від напруг визначені за результатами переміщень глибинних марок, на завершальному етапі процесів консолідації. Відносні деформації змінюються в межах шару. Наведені залежності є середніми значеннями відносних деформацій для верхньої (в) і нижньої (н) половини кожного ІГЕ .

На рис. 6 а,б приведені графіки структурної міцності по глибині, отримані за результатами вимірів деформацій в основі фундаментів п'яти об'єктів з інтервалом між марками 1,5...4,0 м, і в основі фундаментної плити 16-ти поверхового будинку по проспекту Маршала Жукова - з інтервалом 1 м.

Кількісні значення, одержані у проведених дослідженнях і за результатами випробувань дослідними фундаментами мають близьку збіжність (див. Рис.2).

У лесових основах фундаментів багатоповерхових будинків, за період експлуатації 20...28 років, процес консолідації ще триває. Швидкість осідання за перші чотири роки після початку експлуатації об'єктів знизилася з 2,0...2,35 до 0,4...0,7 мм/міс., а за наступні 16...24 років до 0,04...0,2 мм/міс.

На рис. 5,в приведені графіки швидкості протікання осідань у часі. На тривалість процесів консолідації в основах плитних фундаментів впливають напружений стан ґрунтів основи і водопроникність ґрунтів. Так, через 22 роки після початку експлуатації швидкість наростання осідань в основі фундаменту з тиском по підошві 127кПа знизилася до 0,04, а при тиску 187 кПа

- до 0,2 мм/міс. У шарі лесового супіску (ІГЕ - 3), що залягає нижче підошви фундаментів, процес консолідації близький до завершення, а в нижніх шарах (ІГЕ 4 і 5) продовжується.

Рис. 5. Деформації основ фундаментів багатоповерхових будинків:

а,б - графіки залежності відносних деформацій від напруг в основі, на завершальній стадії консолидації грунтів основи;

в - графіки швидкості осідань фундаментів в період експлуатації.

Таблиця 1

Основні параметри деформацій основ фундаментів житлових будинків

№ | Житлові будин

ки по вулиці | Этаж-

ність | р

кПа | Період, років | Осідання, см.

Буд-ва | Експл. | Розрахункове. | Зміря

не | При

буд-ві

1 | Дзержинського | 9 | 156 | 2,4 | 16,9 | 16,9 | 32 | 22,4

2 | І.Франка,45 | 9 | 127 | 1,5 | 23 | 15,2 | 27,9 | 22,2

3 | Перекопської дивізії |

16 |

187 |

1,92 |

21 |

30,1 |

76,2 |

60,2

4 | Щорса вісь Б

вісь В | 9 | 161

160 | 2,4 | 21 | 12,5

15,9 | 29,4

31,8 | 18

19,6

5 | Ген.Петрова,48 | 9 | 142 | 1,08 | 18,7 | 20,4 | 28,3 | 21,3

6 | Марш. Жукова | 16 | 279 | 5,8 | 6,5 | - | 97,6 | 88,3

Рис. 6. Результати визначення структурної міцності в грунтах основи фундаментних плит.

У промисловій зоні м. Одеси проведені тривалі спостереження за розвитком деформацій в основах фундаментів п'яти об'єктів: двох димарів, висотою 120 м на кільцевих фундаментах, 12-ти поверхового інженерного корпуса ЗОР - на суцільній залізобетонній плиті і двох корпусів П.О.

"Медлабортехніка", каркасної конструкції на стовпчастих фундаментах із коротких козлових паль.

Район промислової зони розташований на піщаній косі, шириною близько 4 км, що відокремлює Хаджибейский лиман від Чорного моря. Геологічна будова основи представлена лимано-морськими відкладами. З поверхні, під насипним шаром потужністю 1...2 м залягають піски середньої крупності і дрібні, потужністю 8...11 м., що підстилаються мулами потужністю 15...18 м (супіщаними, суглинистими і глинистими). Рівень підземних вод на глибині 1,5...2,5 м гідравлічно зв'язаний з лиманом і морем.

У виконаних дослідженнях нижня границя зони деформації не зафіксована глибинними марками, закладеними до позначки - 15 м нижче підошви фундаментів. В основі фундаментної плити інженерного корпуса ЗОР її потужність визначена екстраполяцією.

Осідання фундаментів обмірювані після 18...23 років експлуатації об'єктів у 1,5...2,5 рази більші розрахункових. Згідно розрахунків від 64 до 100 %

осідання отримано від деформацій у межах малостисливих шарів піску тоді як за даними спостережень вони складають 8...30 % .

На рис. 7 і табл. 2 представлені результати визначення деформацій в основі трьох об'єктів. Суцільною лінією показана епюра розрахункових деформацій. Пунктиром - обмірювані деформації до закінчення будівництва і після тривалої експлуатації. У процесі експлуатації осідання фундаментів наростали за рахунок деформацій у мулястих ґрунтах, із глибини 8...11 м. За період спостережень швидкість їх протікання знизилася для інженерного корпуса і димової труби ЗОР з 1,8...2,5 до 0,4...0,45 мм/міс., а для димаря ТЕЦ з 0,6 до 0,13 мм/міс. (див. рис. 7).

За результатами вимірів деформацій в основі фундаментної плити інженерного корпуса отримані показники структурної міцності і стисливості ґрунтів у межах обмірюваної глибини зони деформації.

Рис. 7. Розрахункові і дослідні параметри деформацій в основах димових труб і інженерного корпуса ЗОР.

Значення структурної міцності, в даному експерименті для верхнього шару піщаних ґрунтів, до глибини 6 м., близько збігаються з результатами отриманими в основах дослідних фундаментів і фундаментів із козлових паль за межами зони ущільнення (див. рис. 2 і 7).

Таблиця 2.

Параметри деформацій в основах споруд, складених

лиманно-морськими відкладами.

№ | Об'єкти | А

м? | р

кПа | Осідання, см. | Осідання s см., при z, м.

sр | sф | sстр. | z = 0…10 | z > 10

sр | sф | sр | sф

1 | Дим.труба ТЕЦ | 264 | 175 | 20 | 15 | 8,7 | - | - | - | -

2 | Дим.труба ЗОР | 264 | 181 | 9 | 16 | 4,1 | 7,5 | 2,0 | 1,5 | 14,1

3 | Інж.корп. ЗОР | 682 | 154 | 17 | 26 | 8,5 | 11,0 | 5,1 | 6,2 | 21,0

4 | В.о."Млт" В.К. | 4…

6,3 | 520640 | 5,6-

7,3 | 15-

25 | 4-

8 | - | - | - | -

5 | В.о "Млт" ІЛК | - | - | - | -

Примітки: ЗОР - завод ім. "Октябрьской революции"; В.о. "Млт" - виробниче об'єднання "Медлабортехника"; ВК, ІЛК виробничий і інженерно-лабораторний корпуси.

На рис. 7 приведені графіки залежності відносної деформації від напруги для двох етапів спостережень. Суцільною лінією у період будівництва.

Пунктиром - через 19 років після початку експлуатації.

Проведені дослідження дозволили одержани кількісні характеристики деформативних властивостей ґрунтів.

1. Глибина зони деформації менше, а осідання фундаментів більше розрахункових.

2. Значення структурної міцності, одержані за даними вимірів, збігаються з результатами їхнього визначення дослідними фундаментами.

3. Отримані залежності відносних деформацій від напруг мають близьку збіжність зі значеннями визначеними дослідними фундаментами, за рахунок підвищення щільності.

4. Тривалість протікання деформацій залежить від виду ґрунтів, їхньої водопроникності і напруженого стану основи.

5. У водонасичених основах, складених лесовими ґрунтами тривалість протікання деформацій у нижніх ІГЕ, що залягають на глибині 8...14 м, більша чим у верхніх, що примикають до підошви фундаменту.

6. При, приблизно, рівній площі підошви фундаментів (630 і 621 м?) швидкість протікання осідань через 22 роки експлуатації склала відповідно 0,04 0,2 мм/міс. при тисках 127 і 187 кПа.

7. В основах фундаментів, складених лимано-морськими відкладами процес консолідації в піщаних ґрунтах, потужністю 8...10 м, завершився, в основному, до закінчення будівництва.

9. За період експлуатації тривалістю 18 років швидкість протікання осідань в основах кільцевих фундаментів з рівною площею підошви і тиском, при зовнішніх діаметрах 25 і 20 м. знизилася відповідно з 0,6...1,8 до 0,13 і 0,4 мм/міс. В основі суцільної фундаментної плити - з 2,5 до 0,45 мм/міс.

У розділі 5 приведені результати досліджень конструкцій фундаментів і способів ущільнення ґрунтів, що дозволяють обмежити розвиток деформацій у їхній основі. До конструкцій обмежуючих деформації в ґрунтах відносяться переривчасті фундаменти (шпальні, шпально-балкові, кільцеві й ін.).

Дослідженнями встановлена залежність глибини зони деформації від ширини елементів переривчастих фундаментів і відстані між ними. При збільшенні відстані підвищується "поріг" тиску, при якому спостерігається розвиток спільної зони деформації в результаті взаємного впливу фундаментів.

На рис. 8 приведена схема, що ілюструє вплив форми фундаментів на розвиток деформацій в їх основі, побудована за результатами проведених досліджень. На НДС основи переривчастих фундаментів комплексної конструкції, які складаються з фрагментів різних розмірів, впливає їхнє компонування. При загальному навантаженні глибина зони деформації прямо, а тиск по підошві обернено пропорційні ширині окремих елементів.

На рис. 9,а показані результати вимірів деформацій в основі шпальних фундаментів і тисків по їхній підошві. У досвіді 2 при рівному осіданні глибина зони деформації більше в основі широкого фундаменту складеного з трьох елементів (V) і менше в основі вузьких (I). Середні значення тисків по підошві широкого фундаменту на 15% менше, а вузького на 30% більше середнього по загальній площі підошви. Аналогічні результати отримані в досвіді 3 з різною відстанню між елементами (рис. 9) .

На розвиток деформацій в основі кільцевих фундаментів впливають їхні геометричні параметри. При рівній площі підошви збільшення зовнішнього діаметра зменшує ширину кільцевої стрічки, що впливає на розвиток деформацій в грунтах основи.

На рис. 9,б представлені результати серії експериментів з фундаментами рівної площі із суцільною і кільцевою формою підошви. Глибина зони деформації й осідання фундаментів, за інших рівних умов, зменшуються при збільшенні зовнішнього діаметра. З підвищенням тиску зона деформації розвиваючись під кільцевою стрічкою зливається в загальну. "Поріг" тиску, при якому спостерігався початок взаємного впливу, у даних ґрунтових умовах, склав у досвідах 2 і 3 відповідно 150 і 230 кПа. У досвіді 4 при тиску 300 кПа взаємного впливу не зафіксовано.

Рис. 8. Схема сумісної деформації систем "основа - фундамент".

Попереднє ущільнення ґрунту в основі фундаменту, у межах глибини зони деформації, значно знижує деформативні властивості основи. У роботі приведені результати досліджень ефективності ущільнення виконаного

зануренням коротких пірамідальних і козлових паль, забивних блоків і трамбуванням важкими трамбівками.

Рис. 9. Вплив форми фундаментів на НДС основи.

Пірамідальна паля представляє собою перевернену піраміду з нахилом граней до вертикалі 5...10?.

Дослідженнями виявлена значна відмінність несучої здатності палі в пальовому фундаменті й одиночної палі з фрагментом низького ростверку. На рис. 10 зображена схема розвитку деформацій в основах дослідних фундаментів складених водонасиченими лесовими супісками непорушеної структури й ущільнених пірамідальними палями. При рівних тисках і глибині зони деформації осідання фундаменту на ущільненій основі менше ніж на природному ґрунті. Підвищення навантаження на пальовий фундамент викликає розвиток деформацій у природному ґрунті, що залягає нижче границі зони ущільнення.

Рис. 10. Схема розвитку деформацій в основі, ущільненій палями.

На процес розвитку деформацій в основі фундаменту, ущільненого пірамідальними палями впливає розмір ростверку. Довжина палі, прийнята для ущільнення основи фундаменту великої площі значно перевищує глибину зони деформації фрагмента фундаменту для одиночної палі. Тому навантаження на одиночну палю з фрагментом низького ростверку значно більше навантаження на палю в пальовому фундаменті, при їх рівному осіданні. Результати

випробувань одиночних паль не завжди можуть служити надійним критерієм для визначення навантаження на палю в пальовому фундаменті.

Рис. 11. Вплив довжини пірамідальної палі на розвинення деформацій в основі фундаментів.

На рис. 11 представлені деякі результати досліджень деформацій в основах фундаментів площею 4,84 м? складених ґрунтами в природному стані й ущільнених пірамідальними палями. Довжина паль у двох пальових фундаментах 1 і 2 м з верхнім і нижнім поперечними перетинами 0,4 і 0,05 м.

Розвинення деформацій в основах фундаментів характеризують дві вітки графіків залежності осідання від тиску. Для фундаменту на природній основі їхньою границею є тиск рівний структурній міцності. В основах, ущільнених палями перша ділянка графіку відповідає деформаціям, що розвиваються в межах зони ущільнення, а друга - у природному ґрунті, нижче границі зони ущільнення. У виконаних дослідженнях величина осідання за рахунок деформацій у межах об'єму зони ущільнення склала близько 1 см. Графіки залежності об'ємного осідання від об'єму зони деформації характеризують стисливість ґрунтів. Тангенс кута нахилу їх до вертикалі визначає відносну стисливість ущільненого і природного ґрунту. У щільних піщаних ґрунтах, унаслідок невеликої різниці між щільністю ущільненого і природного ґрунту перехід між двома гілками графіків носить плавних характер. Наявність ущільненої зони дозволяє значно підвищити навантаження на фундамент.

На рис. 12 представлені результати випробувань фундаментів на природній основі і ущільненій пірамідальними палями. Ґрунтові умови складені насипним ґрунтом і прошарком замуленого піску, нижче яких залягають піски з щільністю сухого ґрунту 1,57...1,64 г/см?.

У проведених експериментах при рівному осіданні тиск по підошві пальових

фундаментів у 4...5 раз більше ніж фундаментів на природній основі. Тиск по підошві ростверків пальових фундаментів залежить від розміру ростверку і відстані між палями. При осіданні 1 см тиск по підошві фундаменту площею 9 м? із кроком забивання паль 1,7 м дорівнює 250 кПа, а пальового фундаменту

площею 4,4 м? і кроком 1,2 м - 410 кПа. При цих умовах тиск по підошві ростверку одиночної палі - 500 кПа.

Рис. 12. Деформації в основах фундаментів на природній основі і ущільненій пірамідальними палями.

Козлова паля складається з 2...4 елементів, кожний з косим зрізом із внутрішньої сторони, зібраних у "пакет". Процес ущільнення ґрунту короткими козловими палями відрізняється умовами формування зони ущільнення. При забиванні відбувається розсунення елементів, що супроводжується ущільненням ґрунту в центрі і з боку зовнішніх і бічних граней. Дослідження роботи козлових паль виконані в щільних піщаних ґрунтах.

Рис. 13. Розвинення деформацій в основах фундаментів ущільнених козловими полями.

На рис. 13 приведені результати виконаних досліджень. При завантаженні основи ущільненої козловою палею можна виділити два етапи розвинення деформацій у межах і поза межами зони ущільнення. На першому етапі, при наростанні деформацій у межах ущільненої зони, значне збільшення глибини зони деформації супроводжується незначним зростанням осідання. На другому – темпи зростання осідань збільшуються а глибини зони деформації

знижуються. Так у дослідах 3 і 4 при осіданні до 1 см межа зони деформації досягла глибини 4 м, а при осіданнях від 1 до 4 см збільшення глибини зони деформації склало 1,2...1,6 м. На ефективність роботи основи, ущільненої козловими палями, впливає площа ростверку. Так, глибина зони деформації рівна 4 м в основі пальових фундаментів площею 2,56 м? зафіксована при тиску 0,6 МПа, а по підошві фундаменту площею 6,25 м? - 0,23 МПа. При глибині 5 м - відповідно 0,9 і 0,35 МПа.

Дослідженнями розвинення деформацій, в ґрунтах при ущільненні важкими трамбівками, виявлено вплив стану ґрунту і технічних параметрів трамбування на ефективність ущільнення.

При ущільненні лесових просадочних грунтів середнє значення щільності сухого грунту в межах зони ущільнення залежить від вологості. При оптимальній вологості (0,19...0,21), що рекомендується діючими інструкціями, воно не перевищує 1,6...1,65 г/см?. При вологості 0,11...0,12 значення середньої щільності підвищується до 1,8...1,85 г/см?. Ущільнення ґрунту при низькій вологості підвищує витрати роботи на ущільнення, але скорочує термін виконання робіт і усуває необхідність додаткового зволоження.

Глибина зони ущільнення, за інших рівних умов, залежить від площі трамбівки і статичного тиску по її підошві. Збільшення статичного тиску підвищує ефективність ущільнення і дозволяє зменшити її розміри.

За результатами експериментальних досліджень обґрунтовані способи влаштування фундаментів, які дозволяють обмежити деформації в їх основах, складених слабкими, сильно стисливими ґрунтами.

1.Застосування переривчастих фундаментів із шпальних елементів змінює умови їхньої спільної деформації з основою. На розвиток деформацій у їхніх основах впливає ширина елементів і відстань між ними. При збільшені відстані зменшується глибина зони деформації і осідання фундаменту.

2. Тиск по підошві комплексного фундаменту шпально-балочної конструкції, складеного з елементів різної ширини, розподіляється нерівномірно. Вузькі