Способ обеспечения эксплуатационной надёжности сооружения на сезоннопромерзающем пучинистом грунтовом основании



Способ обеспечения эксплуатационной надёжности сооружения на сезоннопромерзающем пучинистом грунтовом основании
Способ обеспечения эксплуатационной надёжности сооружения на сезоннопромерзающем пучинистом грунтовом основании

 


Владельцы патента RU 2601079:

Общество с ограниченной ответственностью научно-исследовательская, проектно-строительная фирма "АБИК" (ООО НИПСФ "АБИК") (RU)

Изобретение относится к строительству мелкозаглубленных фундаментов на естественном основании, малозаглубленных ростверков свайных фундаментов и подземных сооружений нормального уровня ответственности в зимний период на сезоннопромерзающих пучинистых грунтовых основаниях. Способ включает определение напряжённо-деформированного состояния твердомерзлого грунта и фундамента при их взаимодействии в процессе промерзания с вертикальными напряжениями в грунте от сооружения. Технический результат - обеспечение эксплуатационной надёжности сооружения нормального уровня ответственности с минимально необходимыми требованиями к материало-энергоёмкости сооружения и безопасного уровня воздействия здания на окружающую среду путём определения количественного значения воздействия вертикальных напряжений морозного пучения грунта основания на сооружение по всей площади опирания фундамента. 2 пр.,2 ил.

 

Изобретение относится к строительству мелкозаглубленных фундаментов на естественном основании свайных фундаментов и подземных сооружений (далее сооружений) нормального уровня ответственности в зимний период на сезоннопромерзающих пучинистых грунтовых основаниях [1].

Использование сезоннопромерзающих пучинистых грунтов в качестве основания согласно указаниям п. 5.5.5.1 [8] возможно, если: «специальными исследованиями и расчетами установлено, что деформации грунтов основания при их промерзании и оттаивании не нарушают эксплуатационную надежность сооружения».

Для определения допустимых деформаций грунтов основания от вертикальных напряжений морозного пучения необходимо произвести расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) твердомерзлого грунта и фундамента (сооружения) при их взаимодействии с учетом закономерности распределения вертикальных напряжений в грунте от сооружения и морозного пучения под подошвой твердомерзлого грунта под фундаментами. Из-за отсутствия научно обоснованного способа определения распределения вертикальных напряжений морозного пучения под сооружением до настоящего времени не используются указания п. 5.5.5.1 [8] при проектировании малозаглубленных фундаментов и подземных сооружений.

Для обеспечения эксплуатационной надежности сооружения на сезоннопромерзающих пучинистых грунтах, в основном, применяются дорогие и энергоемкие свайные фундаменты, которые способствуют поднятию уровня грунтовой воды на застраиваемых территориях, загрязняя окружающую среду. Достигнутый уровень исследований взаимодействия фундаментов (сооружений) с пучинистыми грунтами позволяет использовать последние только для временных зданий и сооружений пониженного уровня ответственности [8].

Известно, что согласно [2] вертикальные силы морозного пучения грунтов распределяются по подошве твердомерзлого грунта условно равномерно по площади подошвы фундаментов, а их суммарное значение больше, чем вертикальная нагрузка на фундаменты от зданий и сооружений. Значение давления морозного пучения зависит от «сопротивления сдвигу мерзлого грунта σS, МПа, относительно фундамента», который, в свою очередь, зависит от скорости пучения грунта под фундаментом и значения минимальной температуры промерзания грунта под подошвой фундамента.

Так, при скорости пучения грунта по табл. 9 [2] 0,06·10-2 м/сут., и температуре грунта под подошвой фундамента -1°С-σS=20 МПа.

Однако такое значение вертикального давления на подошву фундамента при его морозном выпучивании противоречит каноническому закону равновесия, принятому в строительной механике, согласно которому интегральное значение напряжений от фундамента на грунт равно интегральному значению напряжений морозного пучения грунта. При равенстве их происходит морозное выпучивание фундамента (сооружения) [3].

Наиболее близким аналогом по определению распределения вертикальных сил морозного пучения по подошве твердомерзлого грунта под фундаментами (сооружениями) является утверждение [4], согласно которому вертикальные силы морозного пучения распределяются аналогично напряжениям в грунте от фундаментов (сооружений), но имеют противоположное направление.

Однако это утверждение не может объяснить неравномерных деформаций фундаментов (сооружений) при морозном выпучивании, появление крутящих моментов при неравномерном промерзании и пучении грунта по ширине фундаментов, кренов и т.д. позволяет только определить среднюю величину морозного выпучивания грунта основания.

Такое утверждение находится в противоречии с известными научными фактами возникновений напряжений морозного пучения в грунтах и их зависимости от физико-механических процессов, происходящих при взаимодействии фундаментов и подземных сооружений с талыми и промерзающими пучинистыми грунтами. Исследованиями, приведенными в работе [3], доказано, что с увеличением напряжений в грунте от фундаментов и подземных сооружений влажность грунта как в талом, так и в мерзлом состоянии уменьшается.

В связи с этим распределение промерзающей и незамерзающей воды по глубине промерзания по площади подошвы фундаментов, в зависимости от напряжений в грунте от последних имеет исключительное значение для установления распределения напряжений морозного пучения грунта под фундаментами (сооружениями) [3].

Целью изобретения является обеспечение эксплуатационной надежности сооружения нормального уровня ответственности с минимально необходимыми требованиями к материало-энергоемкости сооружения и безопасного уровня воздействия здания (сооружения) на окружающую среду путем определения количественного значения воздействия вертикальных напряжений морозного пучения грунта основания на сооружение по всей площади опирания фундамента.

Указанный технический результат достигается за счет рассмотрения напряженно-деформированного состояния (НДС) твердомерзлого грунта и фундамента (сооружения) при их взаимодействии в процессе промерзания с вертикальными напряжениями в грунте от сооружения и с учетом использования научного открытия [5]. «Закономерности распределения вертикальных напряжений морозного пучения по подошве твердомерзлого грунта, находящегося под внешней нагрузкой», согласно которому вертикальные напряжения морозного пучения грунта под фундаментом (сооружением), в любой точке, не равны вертикальным напряжениям на грунт от последних.

Указанная цель достигается следующим образом.

Автором теоретически обоснована и экспериментально доказана неизвестная ранее закономерность распределения напряжений морозного пучения по подошве твердомерзлого грунта под фундаментами (сооружениями), заключающаяся в том, что сумма абсолютных значений напряжений в грунте от фундамента (сооружения) и морозного пучения в любой точке по площади подошвы твердомерзлого грунта под ними постоянна и обусловлена изменением льдонакопления по ширине и длине подошвы твердомерзлого грунта, вызванным изменением напряжений в грунте с перераспределением количества промерзающей и незамерзающей воды в порах грунта, с учетом миграции ее в зону промерзания [3, 5].

В соответствии с каноническим законом равновесия (третий закон Ньютона) уравнение будет иметь вид:

где σср. - среднее значение напряжений в грунте от фундамента (сооружения), равное давлению p под фундаментом;

σfcp. - среднее значение напряжений морозного пучения в грунте под фундаментом (сооружением).

Сумма абсолютных значений напряжений в грунте от фундамента и морозного пучения в любой точке под подошвой фундамента (сооружения) имеет аналогичный (1) вид:

Сущность изобретения поясняется чертежами и конкретными примерами определения распределения вертикальных сил (напряжений) морозного пучения грунта под подошвой фундаментов (сооружений).

Пример 1.

Ленточный фундамент на упругом основании нагружен четырьмя сосредоточенными силами Р1, Р2, Р3 и Р4 (см. Фиг. 1). Требуется построить эпюру σf при известных значениях распределения а по длине балки длиной L=10 м, шириной b=1,0 м; d=300 [6].

Определяем среднее значение давления под ленточным фундаментом:

;

Определяем σfz1, σfz2, σfz3 и σfz4 под сосредоточенными силами:

σfz1=2pz.z1=2×18,0-25,532=10,468 тс/м2;

σfz2=2×18,0-13,106=22,894 тс/м2;

σfz3=2×18,0-16,518=19,482 тс/м2;

σfz4=2×18,0-34,952=1,046 тс/м2.

От основания эпюры αz откладываем вниз значение 2pz=36 тс/м2 и проводим параллельную к ней линию и соединяем значения σfz1fz4 с значениями σz1z4. В результате получаем эпюру распределения напряжений морозного пучения грунта под ленточным фундаментом. Определяем граничные значения равенства σzi и σfzi. Ha участке, где σfzizi, возникают дополнительные вертикальные силы (напряжения) морозного пучения, действующие на ленточный фундамент, что следует учесть при определении усилий в фундаменте. Из условия равновесия при морозном выпучивании грунта основания площади эпюры σz и σfz будут равны между собой.

Отметим, что распределение напряжений в грунте под подземными сооружениями на упругом основании можно определить по научно-технической литературе [6, 7] или по сертифицированным программным комплексам, например, ПК ЛИРА-9, 10.

Пример 2.

Квадратный фундамент. Распределение напряжений в грунте под фундаментом определяем в соответствии с [1, 8], в центре фундамента, по углам фундамента и посередине сторон квадрата. На фиг. 2а) показаны распределение давления от фундамента и морозного пучения в пределах контура фундамента. На фиг. 2б) показано распределение σz и σfz по сечению 1-1, где площади эпюр S1σz=S1σzf равны между собой и по краям фундамента на участке, где σfz≥σz=55,5 кПа, действуют крутящие силы морозного пучения.

На фиг. 2в) показано распределение напряжений σz и σfz по сеч. 2-2 (по диагонали), где площади эпюр S2(σz)=S2(σfz) и по краям фундамента действуют крутящие силы морозного пучения в интервале σfz≥σz=83,5 кПа. Крутящие силы морозного пучения проявляются при неравномерном промерзании или пучении грунта по диагонали или в поперечном направлении. При этом вероятность поворота фундамента по диагонали в 2 раза больше, чем в поперечном направлении [1]. Отметим, что в этом направлении момент сопротивления колонны в 1,41 раза меньше, чем в поперечном направлении. Максимальное значение напряжения σzf по углам фундамента оказались в 167/111=1,5 раза больше, чем в середине сторон квадрата.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг. 1а) показана схема нагрузок на ленточный фундамент шириной 1 м; б) эпюры распределения напряжений σfz и σz под фундаментом; в) участок фундамента, где напряжение морозного пучения больше, чем напряжение в грунте от фундамента.

На Фиг. 2а) показана схема нагрузки квадратного фундамента и сечения фундамента по центру сторон и по диагонали фундамента; б) эпюры напряжений в грунте от фундамента и морозного пучения в сечении 1-1 и участок (заштрихован), где напряжение σfz≥σz=55,5 кПа; в) то же, по сечению диагонали 2-2 и участок (заштрихован), где напряжение σfz≥σz=83,5 кПа.

Изобретение позволяет научно обоснованно определить дополнительные нагрузки на фундаменты (сооружения) от сил морозного пучения и обеспечить надежную эксплуатацию сооружения с минимально необходимыми материальными и финансовыми затратами и открывает новое направление в геотехнике по использованию сезоннопромерзающих пучинистых грунтов в качестве оснований под фундаменты (сооружения), снижает стоимость и трудоемкость строительства, улучшает защиту окружающей среды.

Источники информации

1. Р.Ш. Абжалимов. Использование сезоннопромерзающих пучинистых грунтов в качестве оснований для фундаментов малоэтажных зданий и подземных сооружений в инженерной практике, г. Омск. Изд-во ООО "Омскбланкиздат", 2013 - 442 с.

2. Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов: / ПНИИИС. - М.: Стройиздат, 1986. - 72 с.

3. Р.Ш. Абжалимов. Закономерность распределения напряжений Морозного пучения грунта под фундаментами и подземными сооружениями. - Новосибирск. Изд-во СО РАН, 2008. - 77 с.

4. Голли О.Р. Интегральные закономерности морозного пучения грунтов и их использование при решении инженерных задач в строительстве. Автореф: дис. докт. техн. наук / ВНИИГ им. Веденеева Б.Е. СПб., 2000. 45 с.

5. Абжалимов Р.Ш. "Закономерность распределения вертикальных напряжений морозного пучения по подошве твердомерзлого грунта, находящегося под внешней нагрузкой". / Научное открытие диплом №474 от 14.10.2014 г. Международная академия авторов научных открытий и изобретений.

6. И.А. Симвулиди. Расчет инженерных конструкций на упругом основании: учеб. пособие для строительных вузов, - 4-е изд., перераб. и доп. - М.,: Высшая школа, 1978. - 480 с.

7. М.И. Горбунов-Посадов, Т.А. Маликова, В.И. Соломин. Расчет конструкций на упругом основании. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1984. - 679 с.

8. Свод правил СП22.13330.2011 "Основания зданий и сооружений". Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. М.2011-160 с.

Способ обеспечения эксплуатационной надежности сооружения на сезоннопромерзающем пучинистом грунтовом основании путем определения напряженно-деформированного состояния (НДС) твердомерзлого грунта и фундамента (сооружения) при их взаимодействии с известными значениями распределения вертикальных напряжений в грунте от последних и предполагаемом распределении вертикальных напряжений морозного пучения аналогично напряжениям в грунте от фундамента (сооружения), но имеющие противоположное направление, отличающийся тем, что вертикальные напряжения морозного пучения по подошве твердомерзлого грунта под фундаментом (сооружением), в любой точке, не равны вертикальным напряжениям на грунт от фундамента (сооружения), а количественные их значения для определения напряженно-деформированного состояния (НДС) твердомерзлого грунта и фундамента при их взаимодействии принимают исходя из постоянства суммы абсолютных значений напряжений в грунте от фундамента (сооружения) и морозного пучения в любой точке по площади подошвы твердомерзлого грунта под ними, равных двум значениям среднего напряжения (давления) в грунте от фундамента (сооружения), определяемых по формуле:
zifzi)=const=2pz.,
где σzi - напряжение в грунте на глубине z от низа подошвы фундамента (сооружения) в точке i;
σfzi - напряжение в грунте от сил морозного пучения на глубине z от низа подошвы фундамента (сооружения) в точке i;
pz - давление от внешней нагрузки под фундаментом (сооружением) на глубине z от низа подошвы фундамента; и эта формула позволяет определить предельно допустимые усилия в конструкциях сооружения и значения деформаций грунта основания при его морозном пучении и оттаивании, обеспечивающие надежную эксплуатацию последних.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к космической технике, а именно к устройствам для забора проб грунта, выполнения каналов для установки исследовательских датчиков и иных устройств на заданной глубине, и может быть использовано при изучении планет, комет и других небесных тел.

Изобретение относится к термометрии, а именно к полевому определению температуры грунтов, где требуется получить конкретные данные о температуре мерзлых, промерзающих и протаивающих грунтов.

Лизиметр включает емкость с монолитом почвы, гидравлически связанную с емкостью контроля уровня, узел сброса, подключенный к источнику водоподачи, блок управления с электрокоммутационной схемой и подключенные к нему электромагнитные датчики уровней воды в емкости контроля уровня.

Изобретение относится к техническим устройствам для испытания грунтового основания фундамента штампом. Тензометрический секционный штамп содержит чувствительный элемент и измерительные приспособления для измерения контактного давления.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при инженерно-геологических изысканиях и проектировании зданий и сооружений в области распространения многолетнемерзлых грунтов.

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и предназначено для измерения деформаций морозного пучения, сжимаемости при оттаивании и коэффициента фильтрации при нескольких циклах промерзания-оттаивания в лабораторных условиях.

Изобретение относится к области промышленного и гражданского строительства и может быть использовано в технике и технологии исследования физико-механических свойств грунтов в естественных условиях.

Изобретение относится к геологии и может быть использовано при проектировании зданий и сооружений для определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах. Для этого осуществляют бурение скважин с отбором керна, оттаивают полученный образец замороженного грунта и определяют суммарное содержание влаги по непрерывному изменению информативного показателя в ходе оттаивания.

Изобретение относится к способам определения деформаций земной поверхности при отсутствии взаимной видимости между наблюдаемыми пунктами. Сущность: на изучаемой площади закладывают грунтовые реперы по наблюдательной линии, предварительно рассчитав ее длину.

Изобретение относится к строительству, а именно к испытанию грунтов методом статического зондирования в труднодоступных участках. Установка статического зондирования содержит винтовой механизм зондировочный и включает два или более винтовых валов с возможностью синхронного вращения, расположенных параллельно колонне зондировочных штанг, связанных общей подвижной траверсой для упора колонны зондировочных штанг.

Изобретение относится к строительству, а именно к области проведения инженерно-геологических исследований грунтов в условиях их естественного залегания с помощью методов статического и динамического зондирования. Многофункциональный комплекс для инженерно-геологических изысканий содержит автомобильное шасси, раму, установленную на шасси, мачту, выполненную с возможностью установки в горизонтально-транспортное и вертикально-рабочее положения, пульт управления и регулирования комплексом, установленный на раме автомобильного шасси, грузовую лебедку, установленную в верхней части мачты, каретку вращателя, выполненную с корпусом в виде сварной рамы и ползуном, с установленным на нем вращателем, имеющим возможности перемещения по каретке вращателя посредством гидроцилиндра, управляемого с пульта управления и регулирования, и взаимодействия с грузовой лебедкой при выполнении бурильных работ, устройство подъема обсадной колонны, установленное в нижней части мачты и имеющее возможность взаимодействия с кареткой вращателя и с пультом управления и регулирования, гидравлические приводы, бурильное и вспомогательное оборудование, установленные на раме автомобильного шасси. Комплекс содержит установку статического зондирования, размещенную в кузове-фургоне, установленном на платформе рамы автомобильного шасси, имеющую функциональное оборудование, включающее устройство статического зондирования, выполненное с возможностью управления зондированием с пульта управления и регулирования установки статического зондирования. Комплекс содержит также установку динамического зондирования, установленную в задней части рамы и выполненную с возможностью управления зондированием с пульта управления и регулирования комплексом и с возможностью перемещения по профильным направляющим, которые крепятся к профилю мачты при помощи сварки и обеспечивают перемещение каретки вращателя и с возможностью перемещения мачты по ее основанию при подъеме. Для перемещения каретки вращателя в нижней части ее корпуса выполнены нижние прижимные антифрикционные планки, обеспечивающие перемещение каретки вращателя по профильной направляющей каретки и выполненные с регулируемым зазором с помощью нижних регулировочных подкладок. В верхней части ее корпуса выполнены верхние прижимные антифрикционные планки с верхними регулировочными подкладками для крепления ползуна к корпусу каретки вращателя. Каретка вращателя выполнена с возможностью обеспечения периодического спуска ее с установкой динамического зондирования по мере погружения колонны штанг в грунт посредством автоматизированной системы, управления ее движением с пульта управления и регулирования и с возможностью перемещения посредством приводной цепи привода подачи. Привод подачи установлен на верхнем торце мачты, выполненной с возможностями управления ее движением и взаимодействием с грузовой лебедкой с пульта управления и регулирования. На корпусе каретки вращателя закреплены резьбовые регулировочные проушины для крепления к приводной цепи привода подачи. Технический результат состоит в повышении эксплуатационного качества комплекса и расширении функциональных и эксплуатационных возможностей комплекса 4 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к устройству испытания грунтов методом динамического зондирования, входящему в состав оборудования мобильного бурового комплекса. Устройство для динамического зондирования грунтов содержит зонд, колонну штанг, ударное устройство, привод со средствами перемещения, внешний датчик перемещения. Ударное устройство выполнено в виде направляющей штанги с молотом, имеющим возможность взаимодействия с наковальней, передающей силу удара зонду через колонну штанг, и выполненным с подвижными рычажным кулачком и планкой. На направляющей штанге закреплен ограничитель высоты подъема с возможностью взаимодействия с внешними датчиками перемещений, размещенными в рамке. Привод содержит гидравлический мотор с ведущей звездочкой, сопряженной с приводной цепью с зацепом, поднимающим молот до соприкосновения рычажного кулачка с ограничителем высоты подъема и освобождающим его при повороте рычажного кулачка и перемещении планки, выходящей из контакта с зацепом. Направляющая штанга с молотом и приводная цепь расположены в составном корпусе, состоящем из основного корпуса цилиндрической формы для направляющей штанги с молотом и вспомогательного корпуса прямоугольной формы для размещения приводной цепи. Основной корпус выполнен с крышкой вверху, на которой установлен гидравлический цилиндр, соединенный со сливной линией гидравлического мотора, обеспечивающий подачу под давлением масла и прижимающий направляющую штангу к наковальне, и фланцем внизу. У вспомогательного корпуса торцевые части открыты. Технический результат состоит в повышении надежности и технологических возможностей устройства, обеспечении использования установки в составе мобильного бурового комплекса, улучшении эксплуатации устройства. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

Группа изобретений относится к установке и устройству для испытания грунтов методом статического зондирования. Установка для статического зондирования грунтов, расположенная внутри кузова-фургона, выполненного утепленным и установленного на платформе шасси самоходного транспортного средства, снабженного гидравлическими опорами, содержит устройство статического зондирования, пульт управления, связанный с устройством статического зондирования, набор рабочих штанг, гидросистему. Устройство статического зондирования выполнено с механическим захватом, установлено на опорное основание, закрепленное на платформе и размещенное при соответствии центру тяжести шасси самоходного транспортного средства. По переднему борту на платформе кузова-фургона выполнен люк, в котором размещен гидронасос с возможностью взаимодействия с устройством статического зондирования и исполнительными элементами гидравлических опор, соединенный с гидравлическим баком, расположенным справа от гидронасоса, выполненным в корпусе с крышкой, снабженной с внутренней стороны магнитным диском, и оснащенным фильтром заливным и фильтром низкого давления. Гидронасос и гидравлический бак соединены с гидросистемой, слева от гидронасоса установлен пульт управления с расположенным рядом сиденьем оператора. По заднему борту слева на платформе кузова-фургона установлен стеллаж для размещения съемных рамок для штанг, а по заднему борту справа на платформе кузова-фургона установлен верстак. Технический результат состоит в улучшении условий проведения зондирования грунтов, повышении эксплуатационного качества и возможности установки, обеспечении безопасности и надежности проведения зондирования грунтов. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к транспорту углеводородов в нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано при эксплуатации трубопроводов, расположенных в местах с возможными оползневыми явлениями, для принятия своевременных мер по их защите от разрушения при перемещениях грунтовых масс, вызванных нарушением весового баланса в результате сезонного оттаивания, насыщения грунта или иными причинами. Извлекаемое устройство регистрации движения грунта в местах с возможными оползневыми явлениями по трассе пролегания трубопровода содержит измерительный рычаг, состоящий из неподвижного анкера и N подвижных звеньев, соединенных между собой шарнирами, узлы отсчета перемещений, установленные в каждое подвижное звено, регистрирующий блок с системой сбора и передачи данных. Дополнительно оборудовано гибким герметичным кожухом, установленным в предварительно пробуренную скважину. На каждое подвижное звено измерительного рычага и на неподвижный анкер установлено минимум по два центратора. Неподвижный анкер имеет фиксатор с ответным элементом на гибком герметичном кожухе. Технический результат состоит в обеспечении улучшенных условий эксплуатации, повышении надежности, улучшении ремонтопригодности устройства для измерения. 2 ил.
Наверх