Նստվածքի հաշվարկ

Բեռնվածության ազդեցությամբ յուրաքանչյուր հող, բացառությամբ ամուր ժայռի, նստում է։ Նստեցումն ընդհանուր առմամբ առաջանում է երկու պատճառից՝ հողի խտացումից, այսինքն՝ նրա ծավալի նվազումից՝ ծակոտիներից օդի կամ ջրի դուրս մղման հետևանքով, և հողի կողային արտամղումից հիմքի եզրերի մոտ՝ հողի պինդ մասնիկների սահքի հետևանքով։

Հողի նստվածքը՝ սեղմման հետևանքով բաղկացած է առաձգական և պլաստիկ դեֆորմացիաներից, որոնք առաջանում են հիմքի բեռնվածությունից, և որոնց դեպքում բեռնաթափման ժամանակ հողը մասամբ վերադառնում է սկզբնական վիճակին։

Հողի նստեցումը կողային սեղմման հետևանքով բաղկացած է միայն պլաստիկ դեֆորմացիաներից, որոնց դեպքում բեռնաթափման ժամանակ հողը չի վերադառնում իր սկզբնական վիճակին։ Դրանք առավել հաճախ առաջանում են մակերեսից փոքր խորության վրա կառուցված փոքր հիմքերի դեպքում։ Նույնպես հողի կողային սեղմում տեղի է ունենում խիստ խոնավ հողի դեպքում, որի ներքին շփման անկյունը փոքր է։

Քանի որ հողի թույլատրելի բեռնվածությունը ընդունվում է էլաստապլաստիկ դեֆորմացիաների գոտում, նստեցումների հաշվարկը կատարվում է միայն բեռնվածության տակ հողի ծակոտկենության նվազման հիման վրա, միաժամանակ անտեսելով հողի կողային սեղմումից առաջացած նստեցումները, որոնք ընդունվում են աննշան։

Կոմպակցման հետևանքով նստվածքը կախված է հողի թափանցելիությունից, որովհետև այն տեղի է ունենում ծակոտիների հաշվին, որոնք բնական հողում միշտ քիչ թե շատ լցված են ջրով։ Հետևաբար, բեռի տակ հողի նստվածքը իրականում հիդրոդինամիկական երևույթ է, որովհետև նստվածքի գործընթացը կախված է ծակոտիներից ջրի դուրս մղման արագությունից, որտեղ հողի թափանցելիությունը ամենամեծ դերն ունի։

Անհամակց հողերը, ինչպես մանրախիճն ու ավազը, ունեն մեծ ծակոտիներ, որի պատճառով նրանց թափանցելիությունը մեծ է, և ֆունդամենտի ծանրաբեռնվածության տակ ծակոտիների ջուրը արագ դուրս է մղվում։ Ուստի անհամակց հողի դեպքում ֆունդամենտի ծանրաբեռնվածության տակ նստեցումը արագ է տեղի ունենում, ամենից հաճախ՝ դեռ շինարարության ընթացքում կամ դրանից կարճ ժամանակ անց։ Այդ պատճառով անհամակց հողում ֆունդամենտի նստեցումը հազվադեպ է հաշվարկվում։

Կոհերենտ հողերն ունեն մանր ծակոտիներ, դրանց թափանցելիությունը փոքր է, և հիմքերի բեռնվածության ազդեցությամբ ծակոտիներից ջրի դուրսմղումը կարող է շատ երկար տևել՝ որոշ մանրահատիկ կավերի դեպքում նույնիսկ տասնամյակներ։ Բացի այդ, քանի որ կոհերենտ հողի ընդհանուր ծակոտկենությունը զգալիորեն ավելի մեծ է, քան ոչ կոհերենտինը, կոհերենտ հողի նստվածքը շատ ավելի մեծ է։

Կոհերենտ հողի դեպքում, որի ծակոտիները մասամբ լցված են օդով, մասամբ՝ ջրով, սկզբում տեղի է ունենում նստեցում՝ ծակոտիներում օդի խտացման հետևանքով, մինչդեռ ջրի պարունակությունը մնում է հաստատուն, ապա՝ նստեցում՝ ծակոտիներից ջրի դուրս մղման հետևանքով։ Հողի ստատիկ ծանրաբեռնվածության դեպքում, սեփական քաշի և հիմքի օգտակար բեռի ազդեցությամբ, առաջանում են նստեցման այս երկու տեսակներն էլ, սակայն նստեցման ժամանակային ընթացքը տարբեր է։

Կան նաև այլ պատճառներ, որոնք առաջացնում են հողի նստում, օրինակ՝ ստորգետնյա ջրի մակարդակի մշտական իջեցումը, հողի կազմի քիմիական փոփոխությունները և հողում տեղի ունեցող այլ խանգարումները։

Նստվածքի ուսումնասիրությունը բաղկացած է նախնական նստվածքի հաշվարկից, որը կատարվում է հողի նմուշների լաբորատոր փորձարկման հիման վրա, և նստվածքի դիտարկումից, որը կատարվում է շինարարության ընթացքում և դրանից որոշ ժամանակ հետո։

Հիմքի կենտրոնական բեռնվածության դեպքում նստեցման հաշվարկը

Դիտարկենք հիմքի տակդիրը, որը հիմնված է տարբեր շերտերից բաղկացած հողի մեջ, օրինակ՝ ավազի շերտի վրա H0, կամ H1 տակդիրի ներքևում, H2 հաստությամբ կավային հողի շերտի, H3 հաստությամբ մանրահատիկ կավի շերտի, որի տակ ավելի մեծ հաստությամբ խտացված մանրախիճ կա՝ ստորգետնյա ջրի մակարդակով NPV (նկ. 1a)։

Նստվածքի հաշվարկի համար անհրաժեշտ է կիրառել հողի սեփական քաշից առաջացած լարումների դիագրամը (ձախ դիագրամը՝ նկ. 1b-ում) և հիմքից առաջացած լրացուցիչ բեռից ստացվող լարումների դիագրամը (աջ դիագրամը՝ նկ. 1b-ում)։ Հողի սեփական քաշից առաջացած լարումների դիագրամը ստացվում է շերտերի հաստություններից Σ_H_ և դրանց ծավալային քաշերից γ։ Եթե ավազի ծավալային քաշը γ1 է, ջրի տակ գտնվող ավազինը՝ γ’1, ջրի տակ գտնվող կավային հողինը՝ γ’2, ջրի տակ գտնվող կավինը՝ γ’3, ապա հողի սեփական քաշից առաջացող ճնշման լարումները կլինեն (նկ. 1)

γ1 · H’;    γ’1 · H’’;    γ’2 · H2;    γ’3 · H3;

Բեռնվածության ազդեցությամբ առաջացող լարումների դիագրամը ստանում ենք հաշվարկով՝ որևէ հայտնի մեթոդով, օրինակ՝ Շտայնբրենների կամ Նյումարկի մեթոդով, հիմքից ներքև տարբեր խորություններում։

Եթե նշենք հիմքի բեռը P-ով, դրա այն մակերեսը, որով այն հենվում է հողի վրա՝ A-ով, ֆունդավորման խորության t-ում՝ գետնի մակերևույթից ներքև, հողի ծավալային քաշը՝ γ1-ով, ապա հիմքի հատուկ բեռը հավասար է P/A, մինչդեռ նույն խորության վրա հողի սեփական քաշը՝ γ1t։ Հողի լրացուցիչ բեռը հիմքի բեռնվածության հետևանքով ստանալու համար պետք է հողի սեփական քաշի ճնշումը γ1t հանել հիմքի բեռից P/A, այնպես որ հողի լրացուցիչ բեռը կազմում է

p0 = P/A – γ1t.

Նույն խորության t վրա գործում է նաև γ1t լարումը հողի սեփական ծանրությունից, այնպես որ այդ խորության վրա գործում է ընդհանուր լարում (P/A – γ1t) + γ1t, ընդ որում հողի կոնսոլիդացումը γ1t լարման տակ կատարված է եղել օբյեկտի կառուցումից առաջ։

Նկ. 1. Հիմքի կենտրոնական բեռնվածության դեպքում նստվածքի հաշվարկը

Սակայն եթե հիմքի վերևի մի մասը լցվում է հողով (նկ. 1c), պետք է հաշվի առնել լցված հողի ծանրաբեռնվածությունը 2_Q_, այնպես որ այդ դեպքում լրացուցիչ բեռնվածքը կազմում է

_P+2_Q/A – γ1t.

Գոտային ձևի հիմքի համար A = b x 1,0 m է՝ հիմքի 1 m’ վրա։

Նստեցման հաշվարկը կատարվում է սեղմվող հողի բոլոր շերտերի համար՝ մինչև հիմքի բեռնվածության ազդեցության խորությունը։ Նախկինում որպես կառույցի բեռնվածության ազդեցության սահման ընդունվում էր այն խորությունը, մինչև որը գործում են ≥ 10% p0 ինտենսիվության լարումները։ Այսօր ընդունվում է, որ այս սահմանը գտնվում է այն խորության վրա, որտեղ լրացուցիչ բեռնվածությունից առաջացած pz լարումը հավասար է հողի սեփական քաշից առաջացած լարման 20% մասին՝ pz = 0,2 ·γ_Σ_H։ Այս խորությունից ներքև նստեցում չի հաշվարկվում։ Մեկ այլ կանոնի համաձայն՝ խորհուրդ է տրվում նստեցումը հաշվարկել մինչև 2_b_-ից մինչև 3_b_ խորության շերտերի համար, որտեղ b-ն հիմքի լայնությունն է։ Եթե վերջում գտնվում է խիճային շերտ, ինչպես նկ. 1a-ում, ապա այն չի հաշվառվում նստեցման հաշվարկում, քանի որ հիմքի բեռնվածության տակ դրա նստեցումը աննշան է և տեղի է ունենում շինարարության ընթացքում։

z խորության վրա հիմքի տակ ներսից գործող սեփական քաշի հետևանքով գոյություն ունի սեղմման լարում pg (նկ. 1b), որի դեպքում հաշվի է առնված նաև բարձրացման ուժի ազդեցությունը։ Այս սկզբնական սեղմման լարմանը ավելանում է կառույցի բեռնվածքի ազդեցությունից առաջացած սեղմումը pz նույն խորության վրա։ Ուստի որևէ M կետում, z խորության վրա հիմքի տակ, գործում է ընդհանուր սեղմման լարում pn = pg + pz։

Լրացուցիչ ծանրաբեռնվածության ազդեցությամբ հողը նստում է և կողմնակի ձևափոխվում։ Եթե կողմնային ձևափոխությունները անտեսվեն, քանի որ դրանք համեմատաբար փոքր են, իսկ հողի թույլատրելի ծանրաբեռնվածությունը գտնվում է առաձգական-պլաստիկ ձևափոխությունների գոտում, կարելի է ընդունել, որ նստվածքի հաշվարկը կատարվում է օդոմետրում սեղմելիության փորձի հիման վրա՝ հողի դիտարկվող կետի շրջանից վերցված չխախտված նմուշով, որի միջոցով որոշվում է հողի սեղմելիության մոդուլը Ms։

Հուկի օրենքի հիման վրա ունենք

Δ_s_ = pz/Ms,

որտեղ Δ_s_՝ հատուկ նստվածք է շերտի հաստության միավորի վրա, pz՝ z խորության վրա գտնվող հողի լարումը՝ լրացուցիչ բեռնվածքի հետևանքով։

Եթե ենթադրենք շերտի բավարար փոքր հաստություն dz, որպեսզի հնարավոր լինի ընդունել pz և Ms-ը որպես հաստատուն, ապա տարրական նստեցումը կլինի

Δ_s dz_ = pz/Ms dz.

Ընդհանուր նստեցումը H հաստությամբ շերտի համար կլինի

Եթե pZ և MS մեծությունները հաստատուն են H հաստությամբ շերտի համար, ապա կլինի

s = pz/Ms · H.

Իրականում pz-ն և Ms-ը մշտական չեն H1 հաստությամբ շերտի համար, այլ ընդունվում է դրանց միջին արժեքը M կետում։

Հողի սեղմելիության մոդուլը Ms որոշվում է լաբորատոր եղանակով՝ յուրաքանչյուր շերտի համար առանձին։ Նորմալ կոնսոլիդացված հողի դեպքում Ms մոդուլը որոշվում է առաջնային սեղմման գծապատկերից, որտեղ ընդհանուր բեռը σ2 = pg + pz; σ1 = pg = Σ_γt,_ լրացուցիչ բեռը Δ_σ_ = σ2 – σ1 = (pg + pz) – pg, իսկ հարաբերական սեղմման համապատասխան արժեքներն են Δ_h2_/h և Δ_h1_/h, ուստի

Սակայն, եթե խոսքը նախապես սեղմված կավի մասին է, ապա սեղմելիության մոդուլը որոշվում է երկրորդային սեղմման դիագրամից։ Նկ. 2-ի օրինակից ունենք՝

Նկ. 2. Հողի սեղմելիության մոդուլի որոշումը հարաբերական սեղմման դիագրամի հիման վրա

Վերոնշյալից հետևում է, որ նախակոնսոլիդացված կավի նստեցումը կլինի շատ ավելի փոքր, քան նորմալ կոնսոլիդացված հողի նստեցումը։

Հիմքի կոշտության ազդեցությունը նստեցման վրա

Թեև գործնականում ամբողջովին առաձգական հիմքեր գոյություն չունեն, որոնց դեպքում մի կետի նստվածքը կախված չլիներ հարևան կետի նստվածքից, նստվածքի հաշվարկի համար տարբերակում են առաձգական և կոշտ հիմքեր։

Էլաստիկ հիմքերը, որոնց տակ հասկանում են քարե լցվածքներ և թմբեր, միատեսակ բեռնման դեպքում առանձին կետերում առաջացնում են տարբեր նստեցումներ։ Այդ պատճառով այսպիսի հիմքերի դեպքում նստեցման հաշվարկը չի կատարվում ամբողջ բեռնված մակերեսի համար, այլ նրա առանձին կետերի համար՝ անկյունային կետեր A, B, C և D, կողմերի միջնակետեր E, F, H և J և ուղղանկյան մակերեսի կենտրոնական կետ G (նկ. 3)։ Միատեսակ բեռնման դեպքում B, C և D կետերի նստեցումը նույնն է, ինչ A կետինը, H կետի նստեցումը նույնն է, ինչ E կետինը, J կետի նստեցումը նույնն է, ինչ F կետինը՝ նույն կազմ ունեցող հողի համար։

Պատկ. 3. Բեռնված մակերեսի առանձին կետերի նստվածքի հաշվարկը

Մակերևույթի բեռնված ցանկացած կետ G-ի տակ նստվածքը հաշվարկելու համար ABCD ուղղանկյունը բաժանվում է չորս փոքր ուղղանկյունների, և G նստվածքը ստացվում է որպես յուրաքանչյուր բաժանված ուղղանկյան առաջացրած նստվածքների գումար։

Կոշտ հիմքերը չեն նստում նույն կերպ, ինչպես առաձգականները, քանի որ դրանց դեպքում առանձին կետերի նստեցում հնարավոր չէ։ Ուստի կոշտ հիմքերի նստեցումը հաշվարկվում է որպես ամբողջություն, ընդ որում կոշտության աստիճանից ելնելով միջին նստեցման արժեքը հաշվարկվում է այլ կերպ, քանի որ հիմքի կոշտությունից կախված է ճնշման բաշխումը հիմքի տակի մասում։

Քառակուսի կամ փոքր ուղղանկյան ձև ունեցող կոշտ հիմքերի համար, որոնց դեպքում a < 2_b_, հաշվարկվում է կենտրոնական կետի G նստեցումը sG և ընդունվում է հիմքի ընդհանուր նստեցումը s = 3/4 sG. Երկարացված ուղղանկյան կամ շերտի ձև ունեցող կոշտ հիմքերի համար հաշվարկվում է ծայրակետի E, կենտրոնական կետի G և նրանց միջև հեռավորության կեսում գտնվող M կետի նստեցումը՝ հիմքի սալի երկայնական առանցքով, և ապա ընդունվում է միջին արժեքը։

Վան Համմեն գտնում է, որ նստվածքի ավելի ճշգրիտ հաշվարկը «առանձնահատուկ կետ P-ի» համար է, որը միջին առանցքներից գտնվում է հետևյալ հեռավորության վրա

միջին առանցքներից։ Վան Համմիի համաձայն՝ հիմքի որոշակի կետերի նստեցումը անկախ է հիմքի հատակում լարումների բաշխման եղանակից։ Այդ կետերի համար նստեցումը կարելի է հաշվարկել՝ ենթադրելով, որ հիմքի հատակում լարումների բաշխումը հավասարաչափ է։ Կոշտ հիմքի սալի համար, որը բեռնված է հավասարաչափ բեռնվածքով, սակայն որի դեպքում հիմքի հատակում լարումների բաշխումը անհավասարաչափ է և աճում է դեպի սալի եզրերը, այնուամենայնիվ հիմքի սալի նստեցումը հավասար է բնութագրական P կետի նստեցմանը։ Ուղղանկյուն մակերեսի՝ երկարությամբ a, լայնությամբ b, և հավասարաչափ բեռնվածքով p0 բեռնված, բնութագրական P կետի տակ գտնվող խորության z-ում լարումները կարելի է հաշվարկել Jelinek-ի կազմած 1 աղյուսակի օգնությամբ։

P կետանշական P -ի տակ z խորության մեջ լարումը σzP է՝ σzP = (σz/p0)·p0, որտեղ p0 հողի լրացուցիչ բեռումն է։

Աղյուսակ 1. Արժեքները σz/p՝ P բնորոշ կետի տակ գտնվող լարումների համար՝ կախված z խորության և b լայնության հարաբերությունից, ինչպես նաև հիմքի բազայի a երկարության և b լայնության հարաբերությունից_

Նստեցումների հաշվարկը՝ հողի ծակոտկենության գործակցի փոփոխության հիման վրա

Եթե e0 նշենք հողի շերտից վերցված չխաթարված նմուշի ծակոտկենության գործակիցը, իսկ ei՝ նույն նմուշի ծակոտկենության գործակիցը էդոմետրում σ1 բեռնվածության տակ կոնսոլիդացիայի ավարտից հետո (նկ. 4ա), ապա բեռնվածության ազդեցությամբ հողի սկզբնական ծավալի նվազումը Δ_σ_ համապատասխանում է ծակոտկենության նվազմանը, այսինքն՝ հողի ծակոտկենության գործակցին

Δ_e_ = e0 – e1

Sl. 4. Նստվածքի հաշվարկը՝ հիմնված հողի ծակոտկենության գործակցի փոփոխության վրա

Հողի նմուշի սկզբնական ծավալը է

Հատուկ նստեցումը Δ_s_, այսինքն՝ հողի ծավալի միավորի վրա նստեցումը 1+e0 է

Δ_s_ =(e0–e1) / (1+e0)

dz հաստությամբ տարրական շերտի նստումը ըստ նկ. 4b է

Δ_s_ dz=(e0–e1) / (1+e0)  dz

H հաստությամբ շերտի նստեցումը կլինի

Եթե ընդունենք, որ p՝ հողի սեփական քաշից z խորության մեջ առաջացող լարումն է, որը համապատասխանում է էդոմետրում σ0 բեռնվածությանը, Δp՝ օբյեկտի պատճառով հողի լրացուցիչ բեռումից առաջացող լարումն է, որը համապատասխանում է էդոմետրում բեռման աճին Δ_σ_, p1՝ հողի սեփական քաշի և լրացուցիչ բեռման ազդեցության տակ առաջացող ընդհանուր լարումն է, որը համապատասխանում է էդոմետրում ընդհանուր σ1 բեռնվածությանը, ապա նախորդ ձևը կարելի է գրել հետևյալ կերպ

Եթե A նշենք հողի լրացուցիչ բեռից առաջացած լարման դիագրամի մակերեսը, ապա A = Δ_pH_ (շտրիխավորված մակերեսը՝ նկ. 4b-ում), որտեղ Δ_p_-ն լրացուցիչ բեռից առաջացած լարումն է շերտի մեջտեղում

a=Δ_e_/Δ_p_, ծակոտկենության գործակցի տարբերության հարաբերությունը համապատասխան լրացուցիչ բեռնվածքի լարվածությանը Vc = (1+e0)/a, կարող ենք գրել

այսինքն s = A/Vc [cm]

Եթե հողը բաղկացած է մի քանի շերտերից, ապա յուրաքանչյուր շերտի համար հաշվարկվում են նստվածքները s, իսկ առանձին շերտերի նստվածքների գումարը տալիս է ընդհանուր նստվածքը Σ_s_։