4.5. Розрахунок осідань фундаментів по методу еквівалентного шару грунту

Метод еквівалентного шару ґрунту базується на теорії тіл, що лінійно деформуються, але спрощує техніку обчислень як у разі однорідних, так і шаруватих ґрунтів і дає можливість визначити не тільки кінцеве стабілізоване осідання фундаментів, але і протікання осідань у часі, приводячи найскладнішу просторову задачу теорії консолідації до екві­валентної одновимірної. Для однорідних на достатню глибину ґрунтів визначення повного стабілізованого осідання фундаментів по методу еквіва­лентного шару є строгим рішенням теорії ущільнення напівпростору, що лінійно деформується.

Висновок основної залежності. Назвемо еквівалентним шаром ґрунту шар, осідання якого при суцільному навантаженні в точності рівне осіданню фундаменту на масиві ґрунту (напівпросторі). Для визначення товщини еквівалентного шару ґрунту дорів­нюємо вертикальну деформацію окремого шару ґрунту при сплош­ному навантаженні вертикальній деформації при місцевому навантаженні на напівпросторі. Потужність еквівалентного шару ґрунту залежить від бічного розширення ґрунту, від форми і жорсткості фундаменту і пропорційна ширині підошви фундаменту. Знаючи величину еквівалентного шару ґрунту можна визначити осідання фундаменту заданих розмірів і форми.

Для визначення осідань фундаментів з прямокутною площею підошви користуються методом кутових крапок. За контур епюри ущільнюючого тиску ґрунтової товщі під фундаментами приймаємо приблизно трикутний контур (що значно спрощує всі розрахунки осідань) з підґрунтям у навантаженої поверхні, рів­ним інтенсивності зовнішнього навантаження, і висотою визначеною з умови незмінності стабілізованого осідання по строгому рішенню теорії лі­нійно деформуємих тіл.

Допущення дозволяє використовувати раніше отримані в замкнутому вигляді рішення рівняння одновимірної задачі теорії консолідації для випадку нерівномірного розподілу тиску по глибині (мал. 4.5). Заміна дійсного (що розраховуються по теорії однорідного ізотропного напівпростору) найскладнішого ущільнюючого тиску на про­стішу, але еквівалентну трикутну епюру ущільнюючих тисків, цілком прийнятні для практичних цілей.

Рис. 4.5. Схема побудови еквівалент­ної епюри ущільнюючого тиску.

Еквівалентна епюра ущільнюючого тиску відповідає осіданню фундаменту, отриманому з урахуванням всієї стислої зони під фундамен­том в умовах обмеженого бічного розширення ґрунту. Прийнявши контур еквівалентної епюри за трикутну, розрахуємо протікання осідань у часі: при односторонній фільтрації (тільки вгору) - як для розглянутого раніше випадку 2 ущільнюючого тиску убиваючих з глибиною за законом трикутника з висотою, а при двосторонній фільтра­ції (вгору і вниз за наявності на глибині фільтруючої товщі ґрунтів з вільним виходом води) - як для випадку основного, т. б. рівномірного розподілу ущільнюючого тиску (математично тотожного випадку трикутного розподілу ущільнюючого тиску, але при двосторонній фільтрації) при розрахунковій товщині шару ґрунту.

За величину тиску р при розрахунку осідань фундаментів слід приймати лише додатковий тиск або тиск, діючий понад тиску від власної ваги ґрунту на рівні підошви фундаменту, вважаючи, що деформації ґрунту від його ваги закінчилися.

Визначення активної зони стиснення по методу екві­валентного шару. У разі неущільнених ґрунтів глибина активної зони стиснення може бути прийнятою рівній висоті еквівалентної епюри ущільнюючого тиску (мал. 4.5). Максимальна глибина активної зони стиснення, що впливає на осідання фундаментів, для слабих грунтів буде значно більше, ніж для щільних і твердих. Для ґрунтів зі структурною міцністю, активна зона буде менше і відповідатиме лише глибині, де стискуючі напруги більше рстр, що дозволяє при відомих рстр по екві­валентній епюрі ущільнюючого тиску визначити відповідну глибину активної зони (мал. 4.6).

Рис. 4.6. Схема активної зони стиснення по методу еквівалентного шару.

Епюра ущільнюючого тиску залишається трикутною, що дозво­ляє стабілізувати осідання фундаментів, рівне площі епюрі ущільнюючого тиску, помноженій на коефіцієнт відносної стисливості. Ступінь консолідації слід розраховувати при односторонній фільтрації вгору, як для випадку 2, і при двосторонній фільтрації - вгору і вниз.

Наближене урахування кінцевої глибини стискаємої товщі. Якщо на деякій глибині залягають нестискаємі скельні породи, виникає необхідність враховувати нову граничну умову, тобто кінцеву глибину товщі, що стискається. Нижче за цю глибину ґрунти нестискаємі при даних розмірах площі завантаження, оскільки їх осідання не враховується. Крім того, якщо на деякій глибині від підошви фундамен­тів структурна міцність ґрунтів буде більше тиску від дії зовнішнього навантаження на фундаменти, то ці ґрунти при даному тиску також можна приймати за нестискаємі.

Рекомендується наближений облік межі товщі, що стискається, при неглибокому заляганні скельних і не ущільнених порід і значної (більшої 25 - 50 м2) площі підошви фундаментів, оскільки метод еквівалентного шару однорідної товщі для великих площ завантаження і особливо при обліку впливу сусідніх фундаментів дає дещо завищені величини осідань.

Розрахунок осідань фундаментів на шаруватій товщі ґрунтів. При шаруватій товщі ґрунтів метод еквівалентного шару вже не є строгим, як у разі однорідного напівпростору (втім, не існує і інших строгих рішень), але якщо привести ґрунт до квазіоднорідного (на основі теорем про середній відносний коефіцієнт стисливості і про середній коефіцієнт фільтрації шаруватої товщі ґрунтів), то цей метод може використовуватися з достатньою для практики точністю як інженерний метод прогнозу осідань фундаментів.