4.4. Розрахунок осідань фундаментів методом пошарового сумування

Осіданнями фундаментів споруд називаються їх вертикальні зсуви, викликані деформацією підґрунть під дією на­вантаження від фундаментів. При зведенні фундаментів загальне осідання в умовах будівництва складається з трьох величин: 1 - непружнього (структурного) повністю залишкового осідання верхнього шару ґрунту при підготовці котлованів землерийними машинами; 2 - пластичних місцевих видавлювань ґрунту (унаслідок нерівностей поверхні) у момент установки фундаментів і їх завантаження і 3 - тривалих осідань ущільнення і затухаючої повзучості стислої зони ґрунту під фундаментами.

Перші дві складові загального осідання хоча і виникають на початку будівництва, але характерні нерівномірністю, що може викликати додаткові зусилля, не передбачені у проектах споруд; цих осідань слід уникати для чого котлован необхідно готувати ретельно. Третя складова осідання - тривала деформація ущільнення - по величині буде найбільшою і залежить від властивостей ґрунтів всієї активної зони стиснення під фундаментами, на потужність якої у свою чергу впливають розміри і жорсткість фундаментів і ущільнення ґрунтів.

Прогнози осідань підґрунть повністю відповідатимуть дійсності тоді, коли з достатньою точністю і необхідною повторністю визначені розрахункові характеристики ґрунтів і правильно встановлені граничні умови при строгому рішенні задачі. Перш ніж приступити до розрахунку осідань фундаментів, необхідно мати:

1) геологічну будова місця будівництва з вказівкою потужності окремих шарів ґрунту, рівня ґрунтових вод і неодмінно фізико-механічних властивостей ґрунтів на всю активну зону стиснення (коефіцієнти пористості, стисливості, опори зсуву, а також для зв'язних ґрунтів - коефіцієнти фільтрації, структурної міцності, початкового градієнта тиску і для щільних і в'язких глин - параметрів повзучості);

2) розміри і форму фундаментів (по попередніх розрахунках) і чутливість споруд (розрізних, жорстких рамних, масив­них і т. п.) до нерівномірних осідань;

3) дані про глибину закладення фундаментів і навантаження на ґрунт від конструкцій.

Остаточним критерієм застосовності того або іншого методу розрахунку осідань фундаментів будуть результати натурних спостережень за осіданнями подібних споруд і порівняння їх з розрахунковими величинами.

Одновимірна задача. Для споруд, що займають велику площу у плані і що зводяться на шарі стискаємих ґрунтів, підстилаючому скельною породою при незначній потужності шару ґрунту без істотної погрішності для розрахунку величини осідань і загасання їх в часі можна застосовувати рішення одновимірної задачі ущільнення.

Метод пошарового елементарного підсумовування полягає в тому, що осідання ґрунту під дією навантаження від споруди визначають як суму осідань елементарних шарів ґрунту такої товщини для яких можна без великої погрішності приймати при розрахунках середні значення діючих напруг і середні значення ха­рактеризуючих ґрунти коефіцієнтів.

Розглянемо ґрунти однорідні на значну глибину і шаруваті, але що характеризуються одними і тими ж показниками стисливості і інших властивостей на всю їх товщину або для кожного шару окремо. Для усіх випадків у різних перетинів товщі ґрунтів, віддалених на різні відстані від місця додання навантаження, напруги будуть різними. З питання врахування напруг для окремих виділених елемен­тів (шарів) товщі ґрунтів, що стискається, слід розглянути два основні способи: 1 - врахування тільки осьових стискуючих напруг і 2 - усіх нормальних напруг.

1. Врахування тільки осьових стискуючих напруг рекомендується будівельними нормами і правилами (СНіП). Основними передумовами для нього є визначення осідань ґрунту по умові неможливості бічного розширення ґрунту і при розрахунку осідань тільки осьових максимальних стискаючих напружень. Облік максимальних стискуючих напруг дещо компен­сує бічне розширення (бічні деформації ґрунту, які можуть складати значну частину від загального осідання), і загалом розрахункове осідання д(ля ґрунтів середньої щільності і щільних) не дуже відрізняється від спостережуваного, хоча, як правило, воно майже завжди (за винятком тугопластичних і твер­дих глин) менше. При визначенні осідань при умовах неможливості бічного роз­ширення ґрунту у ґрунті під центром підошви фундаменту виділяється вертикальна приз­ма з перетином одиниця і висотою від рівня підошви до глибини активної зони стиснення ha (мал. 4.4)

Рис. 4.4. Розрахункова схема стискаючих напруг за способом пошарового сумування.

Для різних перетинів виділеної призми (горизонтальних майданчиків) визначають по теорії тіл, що лінійно деформуються, величину максимальних стискуючих напруг. Далі вважають, що кожний елемент ґрунту випробовуватиме тільки вертикальне стиснення під дією середнього тиску (максимальної стискуючої напруги) без можливості бічного розширення. Тоді для осідання окремого елементу, якщо не враховувати структурну міцність стиснення, буде застосовна формула

S = h_i_і, (4.1)

де  - коефіцієнт 0,8 для всіх ґрунтів (як «безрозмірний коефіцієнт, що характеризує спрощену схему розрахунку»); Ei - модуль загальної деформації ґрунту.

Знак суми у формулі (4.1) розповсюджується на всю глибину активної зони стиснення h. Глибина активної зони стиснення відповідає такій глибині, нижче якої деформаціями ґрунтової товщі (при розрахунку осідань фундаментів заданих розмірів) можна знехтувати. По СНіП ця глибина повинна задовольняти умові, максимальний тиск від зовнішнього навантаження повинен бути менше 20% тиску від власної ваги шару ґрунту.