ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ОСНОВАНИИ ЖЕСТКИХ ШТАМПОВ И ФУНДАМЕНТОВ

На сегодняшний день очень важно уметь качественно и своевременно дать анализ и оценку напряжённо-деформированному состоянию (НДС) строительных объектов, из-за этого наблюдение и контроль за осадками и деформациями строящихся и уже возведенных объектов очень важны.

Для того, чтобы рассчитать осадку фундамента и проверить несущую способность (прочность) основания, следует знать, как в основании действуют напряжения. Осадка фундамента является следствием деформации толщи грунта, расположенной под ним, поэтому наличие сведений о распределении напряжений как по подошве фундамента, так и под фундаментом необходимо. Для рассчета несущей способности грунта, следует вычислить, какие напряжения возникнут в грунте ниже подошвы фундамента, т.к. без этого установить наличие и размеры областей сдвигов, а также проверить прочность прослойки слабого грунта нельзя. [1]

Для теоретического определения напряжений в основании наиболее часто пользуются решениями теории упругости, которые были получены для линейно деформируемого однородного тела. На самом же деле грунт не является ни линейно деформируемым телом, так как его деформации не зависят от давления прямо пропорционально, ни однородным телом, так как плотность грунта изменяется с его глубиной.

Из-за того, что в массиве грунта от действия собственного веса всегда формируется начальное напряженное состояние, а затем на него накладываются напряжения, возникшие от действия сооружения, определение напряжений в толще грунта становится сложной задачей. Всё это является причиной того, что в массиве  грунта формируется сложное поле напряжений. [2]

Для продления срока службы и эксплуатации строительного объекта крайне важно знать фактическое состояние сооружения в какой-то определенный момент времени, а также какое изменение претерпевает состояние за определенный момент времени (мониторинг сооружения) и как может изменяться это состояние в дальнейшем (диагностика). Поэтому кроме исследования НДС, необходимо проводить строительный мониторинг зданий и сооружений. Строительный мониторинг – это длительный, непрерывный контроль в реальном времени изменений состояния контролируемых объектов с целью предотвращения возможности возникновения аварийных ситуаций.

Из-за сложности измерений напряжений и деформаций в отдельных точках основания возникает сложность определения НДС сооружения в целом. После изобретения датчиков, применяемых для измерения напряжений внутри грунтового массива и методики, с помощью которой проверяют достоверность их измерений, решение данной проблемы стало возможным. К датчикам относятся мессдозы, которые были разработаны в Новочеркасском политехническом институте (Ю.Н. Мурзенко), ЦНИИСКе (Д.С. Баранов), в ДИИТ (М.Н. Гольдштейн и др.), в Гидропроекте (В.П. Бомбчинский и др.), в НИИСК УССР (Е.Ю. Лабезник) и т. д., а также крупные исследования, которые проводились в Союзморниипроекте, НИС Гидропроекта (В.З. Хейфец и др.), в МИСИ (А.А. Крыжановский). Они позволили более точно тарировать и более обоснованно учитывать величину искажений, которые возникают при измерениях порового давления и напряжений, из-за внесения жесткого элемента (мессдозы) в среду с другими деформативными характеристиками. Среди приборов существуют и такие  датчики, при помощи которых можно измерять напряжения в грунтовых массивах, которые сложены слабыми водонасыщенными глинистыми грунтами.

Глубинные марки довольно давно широко применяются при различных исследованиях в механике грунтов, поэтому измерение вертикальных напряжений стало проводить наиболее просто. На сегодняшний день предложено большое число конструкций глубинных марок, с помощью которых с достаточно высокой точностью можно оценить вертикальные смещения различных точек грунтового массива. Многие из глубинных марок применялись и при исследовании просадочных при замачивании грунтов (Ю.М. Абелев, В.И. Крутов, 1960-1967 гг.), эти грунты могут быть отнесены к слабым водонасыщенным глинистым грунтам.

Определить деформативное состояние в грунтовом массиве все еще затруднительно, так как методика измерения горизонтальных смещений практически не разработана. Известны лишь несколько примеров измерения горизонтальных напряжений, которые выполнялись за рубежом, но точность измерения в этих опытах крайне низкая.

Чтобы проверить решения консолидационных задач обычно измеряют поровое давление, так как в исследованиях НДС основания, сложенного водонасыщенными глинистыми грунтами, деформации измерить крайне сложно из-за их медленного развития во времени. Поровое давление измеряют датчиками разнообразных конструкций, причем считается, что измерить поровое давления проще, чем напряжения. [3]

Измерения нормальных напряжений (давлений) по подошве фундамента, выполняемые с помощью приборов, которые монтируют на уровне подошвы, показали, что эти напряжения распределяются по криволинейному закону, и зависят от свойств грунта, формы и размера фундамента в плане, а также среднего давления на основание.

В качестве примера на рис. 1 сплошной линией показано фактическое распределение нормальных напряжений (эпюра нормальных напряжений) по подошве фундамента, когда нагрузка (сила N) намного меньше несущей способности основания, а пунктиром — распределение напряжений, полученное на основе решений теории упругости.

В настоящее время, несмотря на теоретические исследования и накопленный экспериментальный материал, невозможно в каждом конкретном случае устанавливать действительное распределение давлений по подошве фундамента, поэтому в практических расчетах исходят из прямолинейных эпюр давлений. [2]

Рис. 1 Фактическая и теоретическая эпюры нормальных напряжений по подошве фундамента

В заключение хочется сказать, что проблема исследования НДС оснований зданий и сооружений решается с давних пор.

Современные методы исследования НДС оснований зданий и сооружений позволяют:

- измерять послойные деформации, поровые и тотальные давления в песках средней плотности и рыхлых, а также глинистых грунтах с консистенцией от текучей до тугопластичной;

- измерять послойные деформации с помощью глубинных марок на глубине до 25 м с точностью ±1,0 мм;

- устанавливать неограниченное число марок на одной вертикали (число марок определяется потребностью исследований, т.к. конструкция марки основана на бесконтактном способе измерения смещений и обеспечивает заанкеривание марки в грунте ненарушенной структуры);

- измерять тотальные напряжения с помощью мембранных мессдоз и поровые давления с помощью струнных пьезодинамометров;

- устанавливать на одной вертикали мессдозы горизонталльных и вертикальных напряжений и датчики перового давления на глубину до 20 м на нескольких уровнях;

- размещать датчики и мессодозы в грунте с минимальным нарушением его структуры;

- проводить экспресс-определение горизонтального порового и тотального давлений с помощью трехступенчатой мембранной мес­сдозы, а также определять с помощью испытаний на лопастной сдвиг прочностные харак­теристики грунта.

Проведённый анализ материалов позволил сделать выводы, что для наиболее правильного и полного прогноза «поведения» сооружения необходимо комплексное исследование НДС .

Список литературы:

1. Голли А.В. «Методика измерения напряжений и деформаций в грунтах» Л.: ЛИСИ, 1984. - 53с. Учебное пособие.
2. Распределение напряжений в основании: [Электронный ресурс] —  Режим  доступа.  — URL: http://www.stroitelstvo-new.ru/fundament/naprjazhenija.shtml  (Дата обращения: 25.03.2016)
3. Экспериментальные исследования распределения напряжений в основании жестких штампов и фундаментов: [Электронный ресурс] — Режим доступа.  — URL: http://prosvai.ru/vodonasischennie-glinistie-grunti/eksperimentalnie-issledovaniya-raspredeleniya-napryazheniy-v-osnovanii-zhestkich- shtampov-i-fundamentov (Дата обращения: 19.03.2016)