Пример расчета столбчатого фундамента: Расчет столбчатых фундаментов металлического каркаса

Содержание

Делаем расчет столбчатого фундамента своими руками

В статье «Расчет фундамента» мы говорили о том, что нужно учитывать при расчете основания, независимо от того, какой конкретно объект предполагается на нем возводить. Сегодня же мы постараемся подробно описать процесс расчета столбчатого фундамента. Воспользовавшись представленной информацией, вы сможете без труда своими руками учесть все нюансы и определиться с оптимальным выбором столбчатого основания, в том числе, прикинуть предстоящие расходы на строительство дома.

Оцениваем нагрузку от дома

Если вы самостоятельно решаете вопросы строительства загородного дома, то уже на этапе проектирования постройки знаете, из каких строительных материалов будете возводить здание. А это значит, что уже сейчас можно оценить вес надземной части постройки, просуммировав нагрузки от всех конструкций здания и добавив к ним сезонные нагрузки, а также нагрузки от объектов, которые впоследствии будут размещены внутри сооружения.

Исходя из полученных данных, оцениваются размеры железобетонной обвязки – высокого ростверка, который послужит рамой, равномерно распределяющей нагрузки на все опоры. Он же будет при необходимости передавать неравномерную деформационную нагрузку от столбчатого фундамента. Рассчитывается объем обвязки и ее массу при условии, что средний объемный вес железобетона равен 2400 кг/м3.

Суммируем все вышеперечисленные нагрузки F (по сути, проводим расчет нагрузки на фундамент), и остается только определиться с характером грунта и общим количеством опор.

Оцениваем характер грунта

Если расчет столбчатого фундамента осуществляется своими силами, то проведение лабораторных исследований показателей грунта не предполагается. Поэтому пойдем по бюджетному пути – будем проводить оценку на глаз. Для этого на месте предполагаемого строительства дома выкапываем шурф (яму) глубиной ниже глубины промерзания грунта (ГПГ). ГПГ можно узнать в справочном пособии или в статье, о которой мы говорили в самом начале повествования. Предположим, что ГПГ составляет 1,5 м. Выкапываем шурф глубиной 1,8 м. и отбираем пробы грунта и пытаемся скатать из него небольшой шарик. Оцениваем характер грунта следующим образом:

если шарик не скатывается, и вы визуально определили песчаный слой дна шурфа, то в зависимости от крупности песка, расчетное сопротивление грунта (далее – R) принимает значение от 2 (для очень мелкого, пылеватого) до 3 (для среднего) и 4,5 (для крупного песка)*;
если шарик рассыпается при сдавливании, велика вероятность, что грунт – супесь (R=3)*;
если шарик при сдавливании не рассыпается и по краям лепешки не образуются трещины, то перед нами глина (R=3-6)*;
шарик из грунта не рассыпается при сдавливании, но по краям образуются трещины, грунт – суглинок (R=2-4)*

*Значение R зависит также от влажности грунта и коэффициента пористости. Ориентировочные значения расчетного сопротивления грунта представлены в таблице ниже. Следует учитывать, что представленные значения актуальны при заглублении фундамента на 1,5…2 метра. Если же вы планируете возводить мелкозаглубленный фундамент, то расчетное сопротивление грунта будет уже другим: R=0,005R0(100+h/3), где R0-табличная величина, h – глубина (см), на которую планируется закладывать фундамент.

Итак, получили значение R. Определяем параметры и количество опор-столбов.

Расчет количества опор столбчатого фундамента

Количество столбов во многом зависит от площади основания каждого из них. Предположим, что вы выбрали к установке буронабивные сваи диаметром 300 мм. с расширением в нижней части (башмаком) в 500 мм (50 см). Площадь подошвы каждой опоры S будет равна pi×D2/4= 3,14×50×50/4=1960 см2.
Предположим, что нагрузка F = 100000 кг, R=4, тогда необходимо решить простое уравнение с одной неизвестной типа: R=F/(S×n), где n – количество опор. В нашем случае получаем n = 13 шт. Но ведь сами опоры также будут оказывать воздействие на грунт, поэтому их также необходимо включить в нагрузку. Проводим поправочные вычисления. Пусть длина столба составляет 2 м, диаметр оставляем тем же – 0,3 м. Объем одной опоры составит: 2×3,14×0,3×0,3/4=0,14 м3. Принятый средний объемный вес железобетона равен 2400 кг/м3, тогда масса одной опоры составит: 0,14×2400=336 кг (340 кг). Тогда масса 13 опор составит, соответственно, 4500 кг. Умножаем эту величину на коэффициент надежности 1,3, суммируем с F и подставляем в уравнение выше: 4=105850/(1960n). n=14 – количество опор, которые потребуется установить в нашем случае. Перед строительством столбчатого основания советуем ознакомиться с информацией по армированию железобетонных опор, которая представлена в этой статье. Также неплохо прочитать статью о расчете бетона для фундамента, изучив которую вы сможете определиться с количеством и качественными показателями бетонной смеси для основания своего дома.

Как видите, рассчитать количество столбов для столбчатого фундамента не так-то и сложно.

Загрузка…

Пример расчета столбчатого фундамента — Сваи Мания

Подробный пример расчета столбчатого фундамента

Перед тем как начать строить дом, нужно сначала провести все необходимые расчеты. Есть фундаменты, которые просчитываются достаточно легко — это плитные и ленточные, а есть более сложные варианты — столбчатые. У этих фундаментов есть одно неоспоримое преимущество — их можно дорабатывать (специальные подошвы и расширения), но это скорее исключение, чем правило.

Возвести столбчатый фундамент возможно не применяя грузоподъемную технику и спецтранспорт.

Основываются расчеты столбчатого фундамента сразу на нескольких факторах — масса дома и масса фундамента, а вот масса здания формируется из целого ряда показателей, часть из которых учитывается, а часть (при частном строительстве) можно смело отбросить. Для столбчатого фундамента совершенно не играет роли среднегодовая сила ветра и сейсмическая активность региона, потому что на маленький дом эти силы имеют минимальное воздействие, которое принимается за нуль.

Обратите внимание

Все основные факторы должны быть учтены максимально верно, чтобы в итоге не возникало неожиданностей.

Обычно столбчатый фундамент применяется в крайних случаях, поэтому для примера расчета можно использовать одноэтажный сруб из хвойных деревьев (дуб используется в XXI веке нечасто из-за несоразмерной дороговизны), с периметром 9×10 м и длиной простенков 15 м.
Расчет внешних и внутренних стен

Схема столбчатого фундамента.

У каждого строительного материала есть свои особенности, которые упрощают или усложняют работу. При расчете деревянных домов очень удобным фактором считается, что толщина у простенков и внешних стен разнится в два раза (внешние толще), что в значительной мере упрощает работу.

Разные типы древесины имеют различную массу, но средняя из расчета на 1 м² — 70-100 кг.

Эти числа при малогабаритном строительстве позволяют игнорировать тип древесины, потому что итоговый результат будет различаться крайне незначительно.

Единственный нюанс — это толщина стен, которая превосходит базовую в 2 раза (базовая составляет 15 см), то есть отсчет идет не от 70-100, а от 140-200 кг/м².

Малая масса деревянных стен обусловлена их природной физической легкостью. Такие стены не отвечают самым высоким физическим показателям, но с задачей удержания тепла справляются гораздо лучше бетонных. Единственное, что важно не забыть — это закрыть все отверстия паклей при выполнении работы.

Чтобы масса была идеально точной у сруба, нужно заранее знать точное количество стен и простенков, а также возможность их добавления в ходе эксплуатации. В данном случае добавочные простенки исключаются.
Расчет перекрытий цоколя и между этажами

Схема перекрытия цоколя.

Важно

Перекрытия рассчитываются проще всего, потому что подсчитать площадь дома несложно (длина помноженная на ширину), а дальше дело техники.

Но существует три вида перекрытий — плитные, деревянные и монолитные, причем плиты и дерево имеют свои подпункты.

В расчетах сруба нельзя использовать монолитные перекрытия, нежелательны и пустотные плиты между этажами. Таким образом, остаются всего три варианта:

Перекрытие из дерева с легким утеплителем (200 кг/м³), чья масса у цоколя составляет 100-150 кг/м², а между этажами 70-100 кг/м².
Перекрытие из дерева с тяжелым утеплителем (500 кг/м³), что масса у цоколя составляет 200-300 кг/м², а между этажами 150-200 кг/м².
Железобетонные плиты, которые используются исключительно для организации цокольной части здания. Масса их много больше — 400 кг/м², но это оправдывается их выработкой.

При строительстве дома на столбчатом фундаменте оптимальным решением служат железобетонные плиты для цоколя — они идеально удерживают нагрузки, с которыми не справится даже ростверк.

У дерева в свою очередь есть свои преимущества — оно достаточно недорогое, а вместе с этим идеально защищает от температур снаружи дома. Единственный серьезный минус — это недолговечность. Если для основания используется не дуб, то даже столбчатый фундамент не спасет дерево от гниения (дерево приподнято над грунтом, что значительно оберегает его от влаги).
Какая кровля лучше?

Пример возведения кровли.

На этот вопрос нет однозначного ответа, но чаще всего на срубах можно углядеть натуральную кровлю, битумную черепицу, шифер и металл. Исключения встречаются, но не так уж часто, чтобы заострять на них внимание.

Массы можно распределить следующим образом в порядке возрастания:

Битумная черепица легче всех своих собратьев, так как выделяется не только среди всех вариантов черепицы, но и среди синтетических аналогов — всего 8 кг/м². Интереснейший внешний вид и простота монтажа добавляют ей привлекательности. Есть у нее и два минуса — неустойчивость к резким перепадам температур, а также высокая цена. Именно цена обычно удерживает людей от ее приобретения.
Натуральная кровля весит всего 15-20 кг/м². Это практически бесплатный кровельный материал, который надо регулярно заменять. Визуальный эффект зависит от рук мастера, но кровля почти всегда хорошо смотрится. Единственный минус — короткий срок эксплуатации.
Металл. Непривычно видеть металл достаточно легким материалом, но 30 кг/м² доказывают, что такое возможно (для сравнения керамическая черепица в 4 раза тяжелее). Металл легко монтируется, долго служит и не пропускает воду, но есть и серьезный минус — никакой теплоизоляции, а звук при малейших ошибках монтажа только усиливается.
Шифер из легких материалов оказался тяжелее всех — 50 кг/м². Его дешевизна и доступность в любом уголке планеты обязывает включить его в общий список. В советское время он получил широкое распространение, и технология его изготовления была отточена до высочайшего уровня.

При расчете к каждой стене прибавляется 1 м, поскольку кровля с каждой стороны дома выходит на 50 см.

На этом же этапе рассчитывается количество осадков, воздействующих на дом в связи с тем, что за площадь воздействия принимается площадь кровли. На юге показатели небольшие — 50 кг/м², на севере 200 кг/м², а в средней полосе России 100 кг/м². Эти данные можно использовать, как аксиому при строительстве зданий до 5 этажей.
Пример расчета столбчатого фундамента

Варианты столбчатого фундамента на пучинистом и непучинистом грунтах.

Перед тем, как проводить расчет диаметра столбчатого фундамента, нужно найти массу дома, массу ростверка, фундамента, а потом и площадь соприкосновения фундамента с почвой.

Первым делом высчитываются все внутренние и наружные стены дома, а также площадь соприкосновения их и столбчатого фундамента.

При подсчете внешних стен нужно помнить, что их толщина в 2 раза больше стандартной, а простенки равны ей. Т.о. выводится формула:

S=P×2×h+l×h, где P — это периметр дома, l — суммарная длина всех простенков дома, коэффициент 2 — отношение периметра к стандарту, h — высота стен. S=((9+10)×2)×2×2,7+15×2,7=205,2+40,5=245,7 м².

Есть и другие способы подсчета, но этот самый простой, к тому же погрешность с ним равноценна всем остальным вариантам.

Далее нужно вычислить площадь основания стен, что значительно проще.

Sосн=(P×2+l)×y, где за y принимается толщина стены.

Совет

Sосн=(38×2+15)×0,15=13,65 м² (лучше принять за 13, чтобы обеспечить в итоге более качественный столбчатый фундамент).

Для того чтобы найти массу деревянных стен, достаточно просто перемножить площадь на показатели массы на 1 м² (средние в данный момент). M=S×85=245,7×85=20884,5 кг.

Пример гидроизоляции и армирования столбов фундамента.

Перекрытия подсчитать гораздо проще. Для этого в качестве цоколя в пример пойдут железобетонные плиты, а под крышу деревянное межэтажное перекрытие с тяжелым утеплителем.

M=S×Mпер, где S — это площадь дома, а Mпер — масса перекрытия на 1 м²;
M1=S×Mплиты=9×10×400=36000 кг;
M2=S×Mдерева=9×10×175=15750 кг;
Mсум=M1+M2=36000+15750=51750 кг.

Подсчитать массу кровли тоже не составит труда, главное, не забывать про осадки с учетом холодного региона. Кровля будет указана из битумной черепицы:

Mкров=S×m=10×11×8=880 кг;
Mос=10×11×100=11000 кг;
Mсум=Mкров+Mос=11880 кг.

Для наглядности можно воспользоваться таблицей:

Вид стен	Масса стен	Масса перекрытий	Масса кровли	Сумма, кг
Кругляк	20884,5	51750	11880	84514,5

Важно хорошо закрепить ростверок на столбах фундамента, чтобы избежать вытек бетона.

Теперь можно начинать считать ростверк и фундамент
Ростверк высчитывается по суммарной длине стен без коэффициентов (ширина 0,5 м), а толщина его стандартная — 0,4 м. Масса раствора бетона у ростверка и фундамента принимается за 2400 кг/м³.

M=(P+l)×y×h×2400, где y — ширина фундамента, а h — его высота. M=(38+15)×0,5×0,4×2400=10,6×2400=25440 кг/м³.

Перед тем как проводить расчет диаметра столбчатого фундамента, нужно испробовать стандартный вариант в 0,3 м. Столбы ставятся с частотой 1 шт. на 1 м стены (ростверка). Глубина их залегания доходит до 1,6 м (глубина промерзания + 50 см), а высота над землей 0,4, что в сумме дает ровно 2 м.

При этом важно помнить, что самой меньшей устойчивостью к нагрузкам обладает песчаная поверхность — 20000 кг/м².

Пример расчета диаметра колонны выглядит следующим образом:

Опорная часть колонны составляет S=3,14×0,15×0,15=0,07 м², объем колонны V=S×h=0,07×2=0,14 м³.

Количество столбов lсум=P+l=38+15=53 м = 53 шт. Sсум=53×0,07=3,71 м².

Mсум=53×0,14×2400=17808 кг.

Итоговая масса = 17808+25440+84514,5=127762,5 кг.

Чтобы узнать, подходят ли выбранные параметры колонн к дому, нужно разделить массу дома на площадь опоры: 127762,5/3,71=34437,33.

Обратите внимание

Данные показатели почти в 1,5 раза превосходят положенную норму, из-за чего пример расчета диаметра особенно удачен, потому что придется увеличить объем столбов на 50% и одновременно на 25% увеличить их концентрацию.

При увеличении только объема увеличится вместе с этим и масса, а для компенсации массы можно использовать повышение количества столбов в процентном соотношении вдвое меньше увеличенного объема.

На этом этапе возможно использование подошвы, что избавит от необходимости увеличивать площадь и количество, но добавит необходимость полного выкапывания грунта для ее установки.

С учетом всех вышеизложенных формул и расчетов можно подсчитать не только сруб, но и любой другой дом, в который идут более сложные или простые материалы. Единственная разница, которая может возникнуть в вычислениях — вид фундамента.

Источник: https://moifundament.ru/raschet/primer-dlya-stolbchatogo-fundamenta.html

Расчет столбчатого фундамента. Как расчитать параметры столбчатого фундамента. Прочитав эту статью, вы сможете выполнить расчет столбчатого фундамента для своего дома

Прочное основание дома- залог того, что он простоит долго. Столбчатый фундамент хоть и является самым дешевым, но в случае его правильного проектирования он также будет надежной опорой. Как выполняется расчет столбчатого фундамента, изложено ниже.

Кратко о столбчатом фундаменте, его видах и особенностях

Столбчатый фундамент отличается от ленточного тем, что:

подходит для построек, относящихся к облегченному типу. К ним относятся деревянные дома без подвального помещения, колонны и т.д.;
представляет собой ряд опор, находящихся в наиболее нагруженных точках.

Изготавливают столбчатый фундамент в основном 2 видов:

Монолитный. Он имеет большую прочность, т.к. изготовлен из армированного бетона.
Сборный – состоит из отдельных элементов, поэтому имеет слабые места там, где находятся швы. Преимущество его в скорости возведения.

Исходя из расчетных параметров фундамента этого вида, таких как глубина залегания подземных вод, уровень промерзания и тип грунта, существуют две разновидности столбчатого основания:

Заглубленный ниже уровня промерзания, он так и называется – заглубленный. На глинистых почвах необходим только такой.
Выполненный на глубине до 700 мм. Называется он малозаглубленным. Целесообразен на песчаных или скалистых грунтах.

Исходные данные для расчета

Для того чтобы приступить к выполнению расчета, вам потребуется следующая информация:

на какой глубине находятся грунтовые воды. При этом учитывается колебание этого параметра в разные периоды;
зимний температурный режим и сведения о том, насколько промерзает земля. Эти данные есть в справочниках;
к какому типу относится почва;
сколько приблизительно будет весить дом и все, что в нем находится;
масса самого столбчатого фундамента;
ветровые и снежные нагрузки.

Глубину промерзания земли в разных регионах страны можно увидеть на рисунке:

Самостоятельное определение типа грунта

Вряд ли кто-то захочет пойти в лабораторию и платить деньги за исследования, но такой параметр, как сопротивление почвы в зависимости от ее типа очень важен, поэтому определить его необходимо хотя бы самостоятельно. Руководствуемся следующим:

Выкапываем яму глубиной ниже слоя промерзания.
Берем оттуда немного земли, стараемся скатать ее в шар и смотрим, что получается:

из песчаного грунта скатать шар невозможно. То, что он действительно песчаный, определяется и визуально, но фракция может быть очень мелкой. Сопротивляемость такой почвы — R=2. Для песка средней и крупной фракций данный показатель составит 3 и 4,5 единиц соответственно;
если вам удалось сформировать шар, но при надавливании он тут же рассыпался – грунт супесчаный, а для него наименьшая сопротивляемость — R=3;
скатанная земля плотная. Сдавив шар, вы не увидите на нем трещин. Вывод: у вас в руках глина, значит, R=3-5;
в случае суглинка, шар также не распадется, но трещины при нажатии появятся. Для этого типа грунта R=2-4.

Расчет нагрузки на столбчатый фундамент в зависимости от веса надземной части дома

Расчет возможно выполнить тогда, когда вы уже определились:

с материалом, из которого будут возводиться стены;
с типом кровли;
с тем, какую мебель и бытовую технику разместите в доме.

Чтобы получить этот важный параметр, выполняем следующие действия:

суммируем нагрузки, создаваемые стенами, перегородками, элементами кровли и предметами внутри дома;
плюсуем к полученному результату нагрузку от веса снежного покрова. В разных местах этот показатель существенно отличается. Так, если на юге России он составляет всего 0,05 т на квадратный метр, то на севере удельный вес снега почти в 4 раза больше (0,190 т на 1 кв. м).

Расчет столбчатого фундамента, пример которого приведен ниже, выполнен для железобетонного монолитного типа. Возьмем такие исходные данные:

дом одноэтажный. Стены выполнены из конструкционно-теплоизоляционного газобетона блочного. Толщина стены 400 мм. Плотность D=600;
пол – сухой насыпной;
фундамент будет устраиваться на пластичном глинистом грунте;
крыша из черепицы керамической. Скат под углом в 45 градусов. Для устройства крыши использованы лаги деревянные;
наибольшая нагрузка придется на части здания большей длины, т.к. на них будут опираться лаги.

Столбчатый фундамент представляет собой стойку со следующими размерами:

верх имеет сечение 35х35 см;
основание или подошва – 75х75 см;
столбы расположены с интервалом в 2 м.

Нагрузка от снега

В расчете участвуют 2 параметра:

нормативная нагрузка, которую мы определяем по карте. Так как дом расположен в Подмосковье, то она равняется 126 кг на 1 кВ. м;

грузовая площадь крыши, приходящаяся на 1 м фундамента. При этом берем не весь фундамент, а только ту его часть, которая нагружена. Как видно из плана, длина этих участков в сумме составит 24 м. Для определения площади крыши нам потребуется вычислить результат от умножения 2 длин скатов на длину конька.

Итак, рассчитываем длину ската и площадь крыши:

6:2 х cos450 = 3 х 0,707 = 4,3 м;
2 х 4,3 х 12 = 103,2 м;
на 1 м фундамента будет давить вес кровли 103,2 : 24 = 4,3 кв. м.

Теперь мы сможем определить снеговую нагрузку:

4,3 х 126 = 541,8 кгс.

Нагрузка, создаваемая крышей

Порядок таков:

проекция кровли и площадь дома равнозначны, значит, площадь проекции равна 12 х 6 = 72 кв. м;
нагружены у нас только стороны по 12 м, поэтому нагрузка на фундамент от кровли распределена на длине 12 х 2 = 24 или на плоскости 24 х 0,4 = 9,6 кв. м;
из таблицы выше берем расчетную нагрузку для керамической черепицы, расположенной под углом в 45 градусов. Она равна 80 кгс на 1 кв. м;
итак, нагрузка на фундамент от кровли составит 72 : 9,6 х 80 = 600 кг на 1 кв. м.

Как нагружают фундамент перекрытия

Эта нагрузка определяется просто:

вычисляем площадь перекрытия, а она идентична площади дома. 12 х 6 = 72 кв. м;
умножаем на удельный вес материала перекрытия. Данные для расчета возьмем из таблицы:

Перекрытие	Плотность Кг/куб. м	кПа	Кгс/кВ. м
Дерево по деревянным балкам	200	1	100
-«- -«- -«- -«-	300	1,5	150
Дерево по балкам из стали	300	2	200
Железобетонные плиты серии ПК	5	100

нагрузка от кровли распределена на 2 стороны фундамента. Поэтому на 1 м основания дома приходится 72 : 24 = 3 кв. м;
теперь определяем нагрузку 3 х 300 = 900 кгс.

Нагрузка от стен

Чтобы рассчитать нагрузку, которую создают на фундамент стены дома, нам потребуются данные следующей таблицы:

умножаем:

высоту стены на ее толщину и на нагрузку, создаваемую 1 кв. м;
получаем значение, выражающее с какой силой стена давит на столбчатый фундамент 4 х 0,4 х 600 = 960 кгс.

Суммируем нагрузки

У нас уже есть все данные для расчета суммарной нагрузки на фундамент:

541,8 + 600 + 900 + 960 = 3001,8 кгс = 30 кН.

Определение предельных нагрузок фундамента на грунт

Выполняем следующие действия:

полученный результат умножаем на дистанцию между столбами 3002 х 2 = 6004 кгс;
так как плотность для железобетона составляет 2500 кг на 1 кв. м, то при объеме нашего столба 0,25 куб. м вес составит 0,25 х 2500 = 625 кгс;

один столб фундамента создает нагрузку на землю 6004 + 625 = 6629 кгс;
наш пластичный глинистый грунт имеет несущую способность 1,5 – 3,5 кгс на 1 кв. см. Берем минимальную. Значит, фундамент создаст максимальную нагрузку 1,5 х 6400 = 9600 кгс, где 6400 кв. см — площадь подошвы фундамента;
нагрузка, которую мы получили расчетным путем составляет 6629 кгс, следовательно, у выбранной нами основы дома большой запас прочности, позволяющий, если потребуется, добавить еще 1 этаж.

Расчет столбчатого фундамента под колонну

При расчете фундамента под колонну, мы должны получить следующие данные:

какой высоты будет основание фундамента;
высота ступеней и их количество;
площадь поперечного сечения подколонника и стакана;
какого сечения арматура необходима;
все параметры анкерных болтов или закладных деталей.

Расчет этот сложный и ответственный, так что лучше, если его сделает профессионал. Для подсчета можно воспользоваться программой Project StudioCS Фундаменты. Эта программа, которую можно приобрести в Москве в Бизнес Центре «Гипромез»или заказать через интернет, позволяет:

при минимуме данных получить максимальное количество расчетных параметров;
рассчитать фундамент монолитный и сборный под колонны как одиночные, так и сдвоенные;
итоговая информация, содержащая характеристики и основные параметры, отображается в диалоговом окне.

Ее преимущества:

она сертифицирована;
функциональна и по качеству не уступает разработанным за рубежом;
значительно дешевле зарубежных аналогов;
при покупке программы к ней прилагается обучающее видео бесплатно.

Возможен расчет фундамента под колонну и в системе APM Civil Engineering.

На выходе выдает:

сведения о требуемом количестве арматуры;
о числе ступеней фундамента;
отображает геометрические размеры столбов;
учитывая нагрузку на основание, определит толщину продавливания грунта и т.д.

Ее достоинства:

полностью учитывает требования государственных строительных стандартов;

создает модели конструкций;
визуализирует, полученные путем вычисления, результаты;
благодаря наличию расчетных и графических инструментов, позволяет решать большой перечень задач, в том числе и расчет столбчатого фундамента под колонну.

А вот здесь видно наглядно, как выполняется расчет в системе APM Civil Engineering:

Расчет бетона для столбчатого фундамента

Допустим, что известны такие параметры круглого столба как:

диаметр;
высота;
их количество.

Расчет бетона для столбчатого фундамента выполним так:

определим площадь его поперечного сечения, используя формулу S = 3.14 х R;
умножим площадь на высоту и получим объем бетона для одного столба;
умножим объем на общее число столбов и будем знать сколько всего бетона потребуется для устройства столбчатого фундамента.

Последовательность расчета фундамента популярно изложена в этом видео:

Источник: http://gid-str.ru/raschet-stolbchatogo-fundamenta

Пример расчета столбчатого фундамента

Возведение любого фундамента для жилого дома или другого строительного объекта требует точности, и поэтому необходимо проводить предварительный расчет столбчатого фундамента или основания другого типа.

Но, если с основными параметрами бетонной ленты или плиты все более или менее понятно, то как делать расчеты столбовых опор, многие строители не знают.

Поэтому рассмотрим расчет габаритов, несущей способности, материалов и других параметров именно для основания дома на столбах-опорах. Для этого необходим чертеж и/или проект фундамента:

Чертеж столбчатого основания

Калькулятор

Требования к фундаменту на столбах

Как строительная конструкция столбчатый фундамент выглядит как группа столбов из определенных стройматериалов, связанных между собой ростверком.

Ростверк — это горизонтальная обвязочная конструкция, предназначенная для усиления основания и объединяющая разрозненные конструкции, в данном случае – столбы фундамента.

Устойчивость столбовых опор обеспечивается погружением их в грунт на расчетную глубину, которая зависит от массы здания и свойств грунта.

Нагрузочные характеристики тем выше, чем больше точек опирания на почву, и чем выше поверхностное трение опор. Проще говоря, диаметр опор должен быть достаточно большим, глубина погружения столбов и количество опор должно обеспечивать достижение оптимальной нагрузки на каждую опору при распределении нагрузок при помощи ростверка.

Неглубокое заложение столбчатых опор разрешается для каркасного дома, для малоэтажных, легких и небольших по площади зданий из пиломатериалов, ячеистых бетонов, а также для модульных конструкций.

Кирпичные, бетонные или панельные дома на столбчатом фундаменте построить невозможно, так как удельный вес стен строения должен быть ≤ 1000 кг/м3.

Важно

Столбчатые опоры делают из различных стройматериалов – они могут быть металлические из полых труб, кирпичные, блочные, бетонные или железобетонные, бутобетонные, из асбоцементных или бетонных труб, залитых бетоном, и т.д.

Незаглубленное столбчатое основание

Незаглубленное столбчатое основание рекомендуется строить на участках с глубоким прохождением грунтовых вод – подошва опор должна находиться выше как минимум на 0,5 м.

Достоинства и недостатки столбчатого основания

Преимущества:

Небольшой объем землеройных работ, которые можно провести без привлечения спецтехники;
Экономия на строительных материалах;
Возможность строительства дома на участках со сложным рельефом, с переувлажненным или слабым грунтом.

Недостатки:

Нарушение технологии строительства может привести к наклону или деформациям столбчатых опор;
Узкая сфера применения из-за низкой нагрузочной способности столбов.

Подготовка к расчету
Перед началом расчетов определяются исходные параметры для вычислений:

Размеры строения;
Нагрузочная способность грунта – определяется геологическими и геодезическими изысканиями;
Несущая способность фундамента, включая вес самого основания и вес дома.

Эти данные необходимы в любом случае – и при ручных вычислениях параметров столбчатого фундамента с ростверком, и при расчетах при помощи программы-калькулятора:

Программа-калькулятор для расчетов любых типов фундаментов

Так как заказ исследования грунта обойдется недешево, можно сделать это самостоятельно — визуально. Нужно пробурить или выкопать скважину глубиной на 0,5 м ниже заглубления столбов, и убедиться в наличии/отсутствии грунтовых вод. Также визуально (по срезу) можно определить и тип грунта. На сложных участках такое исследование проводят в трех-четырех высотных точках.

Определение нагрузок

Нагрузки делятся на постоянные и временные. Постоянные нагрузки – это вес дома, нагрузки временные бывают кратковременными или длительными. Длительные — вес предметов интерьера и бытовой техники, кратковременные — вес жильцов и осадочные нагрузки с учетом действия атмосферных влияний. Для фундамента это – снеговые нагрузки.

Для определения постоянной нагрузки при оперировании расчётами понадобится узнать:

Вес перекрытий, перегородок и стен;
Вес стропильной системы и кровельных материалов;
Массу основания дома.

Определение нагрузок

В таблице ниже представлены данные по массе основных конструкций дома:

Строительная конструкция	Масса
Утепленные каркасно-щитовые стены ≤ 15 см толщиной	35-55 кг/м2
Утепленные деревянные перекрытия, плотность утеплителя ≤ 200 кг/м3	90-170 кг/м2
Вес ж/б основания	2600 кг/м3
Кровля
Крыши стальные из листового металла	40-65 кг/м2
Керамическая плитка для кровли	70-150 кг/м2
Битумная черепица	40-80 кг/м2

Это нормативно-справочные данные, и при расчетах с их применением необходимо пользоваться коэффициентом надежности (прочности), который указан в СП 20.13330.2011. Для каркасно-щитовых строений дома эти данные приведены в таблице ниже:

Строительная конструкция	Коэффициент прочности
Из древесины	1,10
Из армированного бетона плотностью ≥ 1700 кг/м3	1,30
Заводская тепло-, гидро- и шумоизоляция	1,20
Тепло-, гидро- и шумоизоляция, сделанная на месте	1,30

Карта районирования

Регламент СП 20.13330.2011 предписывает соблюдение полезной длительной временной нагрузки не выше 150-170 кг/м2 при использовании коэффициента надежности 1,2. Таким образом, расчетное значение будет равно 180-204 кг/м2 поверхности пола.

Чтобы найти значение нагрузки от слоя снега, снова используются данные СП. Снеговой регион виден на картах в СП 131. 13330.2012. При расчетах используется коэффициент 1,4.

Как делать расчет

Сначала рассчитывается минимальная площадь фундамента по сумме площадей всех опор: Smin = P / Rо; где:

Р — вес здания, кг;
Rо — расчетное сопротивление грунта под основанием, кг/см2.

Почва под фундаментом	Расчетное сопротивление Rо на глубине ≥ 1,5 м, кг/см2	Расчетное сопротивление Rо на поверхности грунта, кг/см2
Галька, глина	4,6	3,0
Гравий, глина	4,1	2,75
Песок крупных фракций	6,1	4,1
Песок средних фракций	5,1	3,3
Песок мелких фракций	4,1	2,75
Пылевидный песок	2,1	1,3
Супесчаные или суглинистые почвы	3,6	2,3
Глинистая почва	6,1	4,1
Слой насыпного уплотненного грунта	1,6	1,1
Слой насыпного рыхлого грунта	1,1	0,68

Правильный и неправильный расчет фундамента

Зная общую площадь опор фундамента, можно вычислить сечение подошвы для столба и их общее количество.

Для наглядности рассмотрим пример расчета столбчатого фундамента для каркасного дома в два этажа. Исходные данные:

Толщина деревянных стен — 15 см, площадь дома — 120 м2;
Листовая стальная кровля с деревянной стропильной системой, уклон стропил – 200, площадь кровли — 50 м2;
Площадь деревянных балочных перекрытий — 80 м2;
Снеговой регион — IV;
Грунт под фундаментом – глинистый гравий.

Нагрузка с применением коэффициента надежности:

Нагрузка от веса стен = 120 м2 х 50 кг/м2 х 1,1 = 6600 кг;
Нагрузка от веса перекрытий = 80м2 х 150 кг х 1,1 = 13200 кг;
Нагрузка от веса кровли = 50м2 х 60 кг/м2 х 1,1 = 3300 кг.

Расчет кирпичных столбов и стоек

[ads-mob-1]
Для расчета массы основания со стороной опоры 40 см нужно знать шаг их размещения. Для примера возьмем одну колонну на 2 м, в результате получим 24 / 2 = 12 опор.

Для IV снегового района глубина промерзания почвы равна 1,8 м. Опора заглубляется на 20 см ниже этой точки, и поднимается над поверхностью грунта на 50 см – для обвязки ростверком.

То есть, общая высота опоры — 2,5 м.

Вес опор равен 1,3 х 2,5 м х 0,4 м х 0,4 м х 12шт х 3300кг/м3 = 2230,8 кг;
Долговременная полезная нагрузка равна 150 кг/м2 х 80 м2 х 1,2 = 1440 кг;
Нагрузка от снегового слоя равна 240 кг/м2 х 1,4 х 50 м2 = 16800 кг.

Забирка столбчатого основания

Сумма всех значений массы конструкций составляет 43570 кг;
Smin = 43570 / 4 кг/см2 = 10892,5 см2 для всех опор;
Площадь одной опоры = 40 см х 40 см = 1600 см2;
Общее количество опор = 10892,5 / 1600 = 6,8 единиц (7 шт).

В нашем примере четыре опоры возводятся по углам здания, а оставшиеся — по периметру. Строительные конструкции дома с разным весом рассчитываются по отдельности и обустраиваются на отдельных и независимых основаниях. Например, веранда, терраса, павильон или гараж.

Климатическое районирование и вес несущих строительных конструкций учитывается в обязательном порядке, так как эти данные виляют на надежность, прочность и долговечность столбчатого фундамента.

Источник: http://rfund.ru/raschet/stolbchatogo-fundamenta.html

Расчет столбчатых фундаментов металлического каркаса

Уважаемые коллеги, продолжаем рассматривать небольшие примеры использования ФОК Комплекс для расчета фундаментов. Сегодня мы рассмотрим примеры расчета столбчатых фундаментов металлического каркаса. В начале произведем ручной расчет 2-х фундаментов с дальнейшим сравнением с полученными результатами по ФОК Комплекс.

Пример расчета столбчатых фундаментов. Исходные данные

Площадка строительства характеризуется следующими атмосферно-климатическими воздействиями и нагрузками:

вес снегового покрова (расчетное значение) – 240 кг/м2;
давление ветра — 38 кг/м2;

Геология

Схема маркировки фундаментов

Относительная разность осадок (Δs/L)u = 0,004;

Максимальная Sumax или средняя Su осадка = 15 см;

Нагрузки на столбчатые фундаменты получены из ПК ЛИРА.

Для ручного расчета рассмотрим фундаменты Фм3 и Фм4

1. Ручной расчет

Определение размеров подошвы фундамента

Основные размеры подошвы фундаментов определяем исходя из расчета оснований по деформациям. Площадь подошвы предварительно определим из условия:

P ≤ R,

где P- среднее давление по подошве фундамента, определяем по формуле:

P = ( N0 / A )

N0 = P · A

A – площадь подошвы фундамента.

N0 = N +G

N – вертикальная нагрузка на обрезе фундамента

G – вес фундамента с грунтом на уступах

G = A · γ · d

где γ – среднее значение удельного веса фундамента и грунта на его обрезах, принимаемое равным 2 т/м3;

d – глубина заложения;

P · A = N + A · γ · d

A · (P – γ · d ) = N

A = N / (P – γ · d )

Для предварительного определения размеров фундаментов, P определяем по таблице В.3 [СП 22.13330.2011]

Р = 250 кПа = 25,48 т/м2.

Для фундамента Фм3, N = 35,049 т

A = 35,049 т / (25,48 т/м2 – 2,00 т/м3 · 3,300 м) = 35,049 т/18,88 т/м2 = 1,856 м2.

A = b2

Принимаем габариты фундамента b = 1,5 м

Для фундамента Фм4, N = 57,880 т

A = 57,880 т / (25,48 т/м2 – 2,00 т/м3 · 3,300 м ) = 57,880 т / 18,88 т/м2 = 3,065 м2.

A = b2

Принимаем габариты фундамента b = 1,8 м

1. Определение расчетного сопротивления грунта основания

5.6.7 При расчете деформаций основания фундаментов с использованием расчетных схем, указанных в 5.6.6, среднее давление под подошвой фундамента р не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания R, определяемого по формуле

где γс1 и γс2 коэффициенты условий работы, принимаемые по таблице 5.4[1];

k- коэффициент, принимаемый равным единице, если прочностные характеристики грунта (φп и сп) определены непосредственными испытаниями, и k=1,1, если они приняты по таблицам приложения Б[1];

Mγ, Мq, Mc- коэффициенты, принимаемые по таблице 5.5[1];

Совет

kz- коэффициент, принимаемый равным единице при bd (d- глубина заложения фундамента от уровня планировки), в формуле (5.7)[1] принимают d1 = d и db = 0.

6 Расчетное сопротивления грунтов основания R, определяемое по формулам (В.1)[1] и (В.2)[1] с учетом значений R0 таблиц B.1-В.10[1] приложения B[1], допускается применять для предварительного назначения размеров фундаментов в соответствии с указаниями разделов 5-6[1].

Исходные данные:

Основание фундаментом являются – суглинком лессовидным непросадочным полутвёрдой консистенции, желто-бурого цвета, с включением прослоев супеси, ожелезненный. (ИГЭ 2)

γс1= 1,10;

γс2= 1,00;

k= 1,00;

kz= 1,00;

Для фундамента Фм3 : b = 1,50 м;

Для фундамента Фм4 : b = 1,80 м;

γII = 1,780 т/м3;

γ’II = 1,691 т/м3;

сII= 1,100 т/м2;

d1 = 3,30 м;

db = 0,0 м;

Mγ = 0,72;

Мq= 3,87;

Mc= 6,45;

Для фундамента Фм3:

R = (1,10 ·1,00) / 1,00· [0,72 · 1,00 · 1,50 м · 1,780 т/м3 + 3,87· 3,30 м· 1,691 т/м3 +

+ (3,87 – 1,00) · 0,0· 1,691 т/м3 + 6,45·1,1 т/м2] = 1,10· (1,922 т/м2 +21,596 т/м2 +

+ 0,0 + 7,095 т/м2) = 33,674 т/м2.

Для фундамента Фм4:

R = (1,10 ·1,00) / 1,00 · [0,72 · 1,00 · 1,80 м·1,780 т/м3 + 3,87 · 3,30 м·1,691 т/м3 +

+ (3,87 – 1,00) ·0,0·1,691 т/м3 + 6,45·1,1 т/м2] = 1,10 · (2,307 т/м2 + 21,596 т/м2 +

+ 0,0 + 7,095 т/м2) = 34,098 т/м2.

2. Определение осадки

5.6.31 Осадку основания фундамента s, см, с использованием расчетной схемы в виде линейно деформируемого полупространства (см. 5.6.6[1]) определяют методом послойного суммирования по формуле

где b – безразмерный коэффициент, равный 0,8;

Источник: https://blog.infars.ru/primery-rascheta-stolbchatyh-fundamentov-metallicheskogo-karkasa

Монолитный столбчатый фундамент: разновидности и типы

Оглавление:

Прежде чем приступить к строительству фундамента, нужно произвести его расчёт.Столбчатый фундамент тоже требует подобной процедуры.

Устройство мелкозаглубленного столбчатого фундамента

Расчёт столбчатого монолитного фундамента заключается в нахождении давления, которое он оказывает на единицу площади грунта. Можно проводить и другие расчёты, например, расчёт количества строительного материала, который нужно затратить для возведения фундамента с заданными параметрами.

Расчёт на давление состоит из нескольких основных этапов:

Установления коэффициента сопротивления грунта;
Расчёт общей массы постройки, включая массу самого фундамента;
Расчёт давления, оказываемого постройкой на единицу площади грунта;
Сравнение коэффициента сопротивления грунта и давления на единицу площади грунта, и формулировка соответствующих выводов, а также при необходимости принятие мер.

Установление коэффициента сопротивления грунта

Для того, чтобы уточнить этот показатель, который характеризует степень прочности грунта при оказываемом на него давлении, нужно обратиться в геологическую службу вашего города. Если такой службы нет, то есть более простой вариант самостоятельного определения коэффициента сопротивления грунта.

Для этого нужно вырыть яму глубиной порядка 2 метров. Вообще копать нужно на ту глубину, на какой будет закладываться фундамент. После это берем со дна вырытой ямы немного грунта и скатываем его в шар или цилиндр. Если скатали в шар, то этот шар нужно попытаться раздавить.

Теперь может получиться несколько разных ситуаций, которые характеризуют грунт:

Когда тип грунта определён, то не останется труда определит его несущую способность сделать это можно, воспользовавшись справочником. Например, супесь сухая имеет коэффициент сопротивления 2,5, а крупнозернистый гравелистый песок порядка 5 и даже выше.

Определение общей массы постройки

Чтобы определить общую массу постройки, нужно определить массу составных её частей:

Фундамент с ростверком;
Стены и перегородки;
Потолочное перекрытие и пол;
Крыша.

Масса фундамента определяется из расчёта того, что использовалось в качестве строительного материала. Если столбы являются монолитными, то необходимо рассчитать объём столбов и умножить его на плотность бетона. Средняя плотность бетона составляет порядка 2,5 тонн на метр кубический.

Объём прямоугольного столба считается, как произведение его длины, ширины и высоты. Таким образом, высчитываются все объёмы всех столбов, хотя они должны быть все одинаковыми, так как сами столбы должны иметь одинаковые размеры.

Дальше следует высчитать массу арматуры, которая была затрачена в ходе устройства железобетонных столбов. Если столбы были чисто бетонными, то на этом их расчёт закончен.

Обратите внимание

После этого необходимо высчитать массу ростверка. Так как ростверк является прямоугольником, то его объём будет являться произведением всех его сторон, то есть всю длину ростверка нужно умножить на его высоту, и умножить на ширину. Вся длина ростверка называется периметром.

Она определяется, как сумма длин всех сторон. После того, как объём найден, нужно его умножить на плотность бетона, то есть на 2500. Если ростверк был армирован, то нужно вычислить объём арматуры и вычесть его из объёма бетона. Дальше этот объём арматуры нужно умножить на плотность железа, которая приблизительно равна 13000 килограммам на метр кубический.

После этого остаётся к массе ростверка прибавить массу столбов, и получим массу всего фундамента.

На втором этапе подсчётов найдём массу стен и перегородок. При этом один расчёт и способ его проведения может отличаться от другого. Это зависит от материала, из которого сделана стена. Если из дерева, то следует рассчитать кубатуру древесины и умножить на плотность той породы, которая использовалась при строительстве дома.

Гидроизоляция фундамента

Например, плотность сосны равна 800 килограммам на метр кубический, а вот плотность берёзы равна 900 килограммам на метр кубический.

Если при строительстве использовался кирпич, то нужно рассчитать либо количество кирпичин, а затем умножить их на вес одного, либо рассчитать объём стен и умножить на массу одного метра кубического. Один кубический метр красного кирпича весит порядка 1800 килограмм. Одна красная кирпичина весит порядка 3,2 килограмм.

В случае, когда стены изготовлены из пеноблоков, можно воспользоваться одним из двух вышеописанных способов. При этом следует брать за массу одного блока 30 килограмм.

Если при устройстве стен использовался цемент, то нужно учитывать и его вес. Цемент, как правило, используется при изготовлении стен из кирпича, камня пеноблоков и так далее. В деревянных домах цементный раствор если и используется, то его вес незначителен.

Важно

Массу использованного цемента рассчитать не сложно. Средний размер одного шва между рядами кирпича равен порядка 0,7-1,2 сантиметра, в крайнем случае, его можно замерять. После замера устанавливаем ширину слоя цемента. Если использовалась кладка в один кирпич, то соответственно, ширина слоя цемента будет равна 12 сантиметрам.

Дальше высчитываем длину каждого слоя, то есть фактически измеряем длины всех сторон. Теперь все эти три показателя нужно перемножить между собой. Получившееся число нужно умножить на количество швов. Следует отметить, что такой расчёт нужно производить только при цели достичь максимально точного значения массы дома, но, как правило, массу цементного раствора никто не считает.

Теперь находим массу перекрытия. Если оно выполнено из дерева, то нужно найти кубатуру древесины и умножить на плотность породы. Если настил и пол выполнены из бетона, то нужно найти объём потраченного бетона и умножить на плотность бетона.

Армирование столбчатого фундамента

Существует такое перекрытие, которое имеет собственный фундамент, то есть на основной фундамент оно не оказывает никакого давления. Следовательно, массу такого настила не стоит учитывать при расчётах. Такая же ситуация бывает и с полом. Половые лаги могут находиться на собственных столбах, и не оказывать давления на фундамент.

Теперь нужно определить массу крыши. Сделать это тоже не сложно. Так как крыша состоит из двух частей, то и расчёт массы будет тоже состоять из двух этапов.

На первом определим вес каркаса крыши, то есть стропил и обрешётки, посчитав кубатуру дерева и умножив её на плотность древесины. Вес таких элементов, как гвозди, уголки, малые куски арматуры и так далее, можно не учитывать, так как он слишком мал в сравнении со всеми остальными элементами.

После этого можно найти вес покрытия. Если оно выполнено из металлических профилей, то нужно высчитать кубатуру всего профиля и умножить на вес одного метра кубического. Вес метра кубического можно найти на упаковке продукции.

Совет

Если же покрытие выполнено из шифера, то нужно высчитать количество листов и умножить их на массу одного листа.

На последнем этапе расчёта массы постройки необходимо установить общую массу. Она состоит из масс всех элементов входящих в постройку. Поэтому для того, чтобы вычислить общую массу, нужно сложить все получившиеся массы в результате поэтапных расчётов.

Расчёт давления, оказываемого постройкой на единицу площади грунта

Теперь зная массу постройки, можно без труда вычислить оказываемое ею давление. Для этого не достаёт одного числа – площади опоры фундамента.

Чтобы высчитать общую площадь опоры фундамента, нужно ширину одного столба умножить на длину этого столба. Так мы найдём площадь одного столба. Поскольку все столбы должны быть одинаковыми, то для нахождения общей площади, нужно площадь опоры одного стола умножить на количество столбов. Так получим полную площадь опоры всего фундамента.

В том случае, если столбы не равны по размерам между собой, то нужно высчитать площадь опоры каждого столба, а потом просуммировать их между собой.

Устройство столбчатого фундамента

Если столб имеет не прямоугольное, а круглое сечение, то нужно высчитать площадь опоры круглой основы. Сделать это можно по простой геометрической формуле, как число П=3,14, умноженное на радиус, возведенный в квадрат.

На этом площадь опоры вычислена.

Теперь для нахождения давления на грунт нужно всю массу разделить на общую площадь опоры. При этом следует учесть, что массу лучше всего выражать в килограммах, а площадь опоры в сантиметрах квадратных. Таким образом, давление будет иметь единицу измерения килограмм на сантиметр квадратный.

Сравнение коэффициента сопротивления грунта и давления на единицу площади грунта

На этом этапе нужно сравнить между собой результаты, которые получились в первом пункте и в третьем.

Если коэффициент сопротивления грунта оказался больше оказываемого давления хотя бы на 0,5, то это значит, что и тип фундамента, и количество столбов, и сечение каждого столба выбраны верно.

Обратите внимание

Никаких больше переработок фундамента не требуется. Возведения расчетного фундамента будет безопасно.

Если же коэффициент сопротивления грунта оказался меньше оказываемого давления, то следует принять одну из двух возможных мер:

Увеличение площади опоры каждого столба. Это достигается увеличением подошвы столбов. Можно под каждый столб подложить бетонную плиту, которая по площади будет больше площади основания столба. Можно просто сделать длиннее и шире сам столб;
Увеличение количества столбов. Дополнительные опоры в виде столбов нужно располагать на прямых участках. Однако этот способ тяжело реализуем, так как столбы нужно стараться располагать симметрично по всему строящемуся дому, если этого не соблюдать, то появляется возможность неравномерной просадки дома.

После принятия таких мер следует заново произвести расчёт, и опять по его результатам делать соответствующие выводы.

Пример расчёта

Строится дом прямоугольной формы. Сторона большей стены равна 5 метров, сторона меньшей стены равна 3 метра. Высота равна 3 метра.

Фундамент делается монолитным железобетонным. При этом столбы изготавливаются с квадратным сечением и длиной стороны в 50 сантиметров. Высота столба равна 1 метр. Ростверк выполнен из армированного бетона с шириной ленты в 30 сантиметров. Высота отливной части равна 0,2 метра.

Стены выполнены из блоков, при этом блок укладывался на ребро.

Крыша выполнена из деревянного каркаса и шиферного настила. Пол и чердачное перекрытие выполнено тоже из дерева.

При этом затрачено 5 кубических метров древесины. Все деревянные элементы сделаны из сосны. На крышу затрачено 23 листов шифера.

Сопротивление грунта установлено и равно 3.

Непосредственный расчёт

Армирование столбчатого фундамента стаканного типа

Так как установлено сопротивление грунта, то можно сразу приступать к расчётам массы постройки.

Сначала будем считать сам фундамент. У нас не указано количество столбов. При строительстве на стадии проектирования эта цифра выбирается самостоятельно исходя из трёх основных правил устройства столбчатого фундамента. Если следовать этим правилам, которые были описаны немного выше, то получим, что у нас должно быть:

4+4 =8 столбов. Первые четыре столба это угловые столбы. Вторые 4 столба это по одному столбу посередине каждой стены, так как расстояние между столбами не должно быть больше 2,5-3 метров.

Важно

Известно, что высота один метр, а длина и ширина равны 50 сантиметрам, отсюда можно высчитать объём одного столба:

0,5*0,5*1=0,25 метра кубического. Так как всего у нас 8 столбов, то общий объём столбов равен 2 кубическим метрам. Зная, что средняя плотность бетона равна 2500 килограмм на метр кубический, получим общий вес всех столбов, как:

2500*2=5000 килограмм.

Теперь рассчитаем массу ростверка. Длина ростверка составляет:

5*2+3*2=16 метров, то есть 2 стены по 5 метров и две по 3 метра. Дальше вычислим объём:

0,2*0,3*16=0,96 метра кубического. Тогда его масса равна:

0,96*2500= 2400 килограмм.

Теперь вычислим массу стен. Так как известно, что блок укладывался на ребро, можно посчитать его площадь:

0,3*0,6=0,18 метра квадратного. Такую площадь покрывает один блок. Теперь найдём общую площадь стен:

5*2*3+3*2*3=48 метров квадратных.

Теперь эту цифру разделим на площадь одного блока, получим:

48/0,18= 267 блоков. Такое количество блоков нужно затратить, чтобы возвести стены. Зная, что масса одно блока равна 30 килограммам, можно посчитать общую массу стен:

267*30=8010 килограмм.

Теперь осталось посчитать массу всех деревянных частей и массу шифера. Масса дерева высчитывается, как общий объём, умноженный на плотность породы. Так как сказано, что всего затрачено 5 кубических метров сосны, получим:

5*800=4000 килограмм.

Теперь рассчитаем массу шифера, как количество листов, умноженное на массу одно листа:

23*26=598 килограмм.

Теперь осталось вычислить вес всей постройки, как сумма всех масс:

5000+2400+8010+4000+598=20000 килограмм.

Совет

К этой массе стоит так же прибавить массу внутренних перегородок. Иногда также рассчитывают и массу снега, которая ложится на крышу зимой, при этом толщину снега принимают равной 15-20 сантиметрам.

Теперь с массой разобрались, осталось высчитать площадь опоры фундамента. Так как один столб у нас имеет квадратное сечение со стороной 0,5 метра, получим:

50*50=2500 квадратных сантиметров – площадь опоры одного столба.

Теперь найдём площадь опоры всех столбов:

2500*8=20000 сантиметров квадратных.

Теперь, зная и общую площадь опоры, и массу можно найти давление:

20000/20000=1 килограмм на сантиметр квадратный.

Сравниваем эту цифру с сопротивлением грунта:

Источник: https://domnuzhen.ru/stolbchatyj/raschet-stolbchatogo-monolitnogo-osnovaniya.html

Подробный пример расчета столбчатого фундамента

Зачем производить расчет фундамента?

Перед тем как начать строить дом, нужно сначала провести все необходимые расчеты. Есть фундаменты, которые просчитываются достаточно легко – это плитные и ленточные, а есть более сложные варианты – столбчатые. У этих фундаментов есть одно неоспоримое преимущество – их можно дорабатывать (специальные подошвы и расширения), но это скорее исключение, чем правило.

Возвести столбчатый фундамент возможно не применяя грузоподъемную технику и спецтранспорт.

Основываются расчеты столбчатого фундамента сразу на нескольких факторах – масса дома и масса фундамента, а вот масса здания формируется из целого ряда показателей, часть из которых учитывается, а часть (при частном строительстве) можно смело отбросить. Для столбчатого фундамента совершенно не играет роли среднегодовая сила ветра и сейсмическая активность региона, потому что на маленький дом эти силы имеют минимальное воздействие, которое принимается за нуль.

Все основные факторы должны быть учтены максимально верно, чтобы в итоге не возникало неожиданностей.

Схема столбчатого фундамента.

Разные типы древесины имеют различную массу, но средняя из расчета на 1 м² – 70-100 кг. Эти числа при малогабаритном строительстве позволяют игнорировать тип древесины, потому что итоговый результат будет различаться крайне незначительно. Единственный нюанс – это толщина стен, которая превосходит базовую в 2 раза (базовая составляет 15 см), то есть отсчет идет не от 70-100, а от 140-200 кг/м².

Малая масса деревянных стен обусловлена их природной физической легкостью. Такие стены не отвечают самым высоким физическим показателям, но с задачей удержания тепла справляются гораздо лучше бетонных. Единственное, что важно не забыть – это закрыть все отверстия паклей при выполнении работы.

Схема перекрытия цоколя.

Перекрытия рассчитываются проще всего, потому что подсчитать площадь дома несложно (длина помноженная на ширину), а дальше дело техники. Но существует три вида перекрытий – плитные, деревянные и монолитные, причем плиты и дерево имеют свои подпункты. В расчетах сруба нельзя использовать монолитные перекрытия, нежелательны и пустотные плиты между этажами. Таким образом, остаются всего три варианта:

Перекрытие из дерева с легким утеплителем (200 кг/м³), чья масса у цоколя составляет 100-150 кг/м², а между этажами 70-100 кг/м².
Перекрытие из дерева с тяжелым утеплителем (500 кг/м³), что масса у цоколя составляет 200-300 кг/м², а между этажами 150-200 кг/м².
Железобетонные плиты, которые используются исключительно для организации цокольной части здания. Масса их много больше – 400 кг/м², но это оправдывается их выработкой.

При строительстве дома на столбчатом фундаменте оптимальным решением служат железобетонные плиты для цоколя – они идеально удерживают нагрузки, с которыми не справится даже ростверк.

У дерева в свою очередь есть свои преимущества – оно достаточно недорогое, а вместе с этим идеально защищает от температур снаружи дома. Единственный серьезный минус – это недолговечность. Если для основания используется не дуб, то даже столбчатый фундамент не спасет дерево от гниения (дерево приподнято над грунтом, что значительно оберегает его от влаги).
Какая кровля лучше?

Пример возведения кровли.

Массы можно распределить следующим образом в порядке возрастания:

Битумная черепица легче всех своих собратьев, так как выделяется не только среди всех вариантов черепицы, но и среди синтетических аналогов – всего 8 кг/м². Интереснейший внешний вид и простота монтажа добавляют ей привлекательности. Есть у нее и два минуса – неустойчивость к резким перепадам температур, а также высокая цена. Именно цена обычно удерживает людей от ее приобретения.
Натуральная кровля весит всего 15-20 кг/м². Это практически бесплатный кровельный материал, который надо регулярно заменять. Визуальный эффект зависит от рук мастера, но кровля почти всегда хорошо смотрится. Единственный минус – короткий срок эксплуатации.
Металл. Непривычно видеть металл достаточно легким материалом, но 30 кг/м² доказывают, что такое возможно (для сравнения керамическая черепица в 4 раза тяжелее). Металл легко монтируется, долго служит и не пропускает воду, но есть и серьезный минус – никакой теплоизоляции, а звук при малейших ошибках монтажа только усиливается.
Шифер из легких материалов оказался тяжелее всех – 50 кг/м². Его дешевизна и доступность в любом уголке планеты обязывает включить его в общий список. В советское время он получил широкое распространение, и технология его изготовления была отточена до высочайшего уровня.

При расчете к каждой стене прибавляется 1 м, поскольку кровля с каждой стороны дома выходит на 50 см.

На этом же этапе рассчитывается количество осадков, воздействующих на дом в связи с тем, что за площадь воздействия принимается площадь кровли. На юге показатели небольшие – 50 кг/м², на севере 200 кг/м², а в средней полосе России 100 кг/м². Эти данные можно использовать, как аксиому при строительстве зданий до 5 этажей.
Пример расчета столбчатого фундамента

Варианты столбчатого фундамента на пучинистом и непучинистом грунтах.

S=P×2×h+l×h, где P – это периметр дома, l – суммарная длина всех простенков дома, коэффициент 2 – отношение периметра к стандарту, h – высота стен. S=((9+10)×2)×2×2,7+15×2,7=205,2+40,5=245,7 м².

Далее нужно вычислить площадь основания стен, что значительно проще.

Sосн=(P×2+l)×y, где за y принимается толщина стены.

Sосн=(38×2+15)×0,15=13,65 м² (лучше принять за 13, чтобы обеспечить в итоге более качественный столбчатый фундамент).

Пример гидроизоляции и армирования столбов фундамента.

M=S×Mпер, где S – это площадь дома, а Mпер – масса перекрытия на 1 м²;
M1=S×Mплиты=9×10×400=36000 кг;
M2=S×Mдерева=9×10×175=15750 кг;
Mсум=M1+M2=36000+15750=51750 кг.

Mкров=S×m=10×11×8=880 кг;
Mос=10×11×100=11000 кг;
Mсум=Mкров+Mос=11880 кг.

Для наглядности можно воспользоваться таблицей:

Вид стен	Масса стен	Масса перекрытий	Масса кровли	Сумма, кг
Кругляк	20884,5	51750	11880	84514,5

Важно хорошо закрепить ростверок на столбах фундамента, чтобы избежать вытек бетона.

Теперь можно начинать считать ростверк и фундамент
Ростверк высчитывается по суммарной длине стен без коэффициентов (ширина 0,5 м), а толщина его стандартная – 0,4 м. Масса раствора бетона у ростверка и фундамента принимается за 2400 кг/м³.

M=(P+l)×y×h×2400, где y – ширина фундамента, а h – его высота. M=(38+15)×0,5×0,4×2400=10,6×2400=25440 кг/м³.

Перед тем как проводить расчет диаметра столбчатого фундамента, нужно испробовать стандартный вариант в 0,3 м. Столбы ставятся с частотой 1 шт. на 1 м стены (ростверка). Глубина их залегания доходит до 1,6 м (глубина промерзания + 50 см), а высота над землей 0,4, что в сумме дает ровно 2 м.

При этом важно помнить, что самой меньшей устойчивостью к нагрузкам обладает песчаная поверхность – 20000 кг/м².

Пример расчета диаметра колонны выглядит следующим образом:

Опорная часть колонны составляет S=3,14×0,15×0,15=0,07 м², объем колонны V=S×h=0,07×2=0,14 м³.

Количество столбов lсум=P+l=38+15=53 м = 53 шт. Sсум=53×0,07=3,71 м².

Mсум=53×0,14×2400=17808 кг.

Итоговая масса = 17808+25440+84514,5=127762,5 кг.

Чтобы узнать, подходят ли выбранные параметры колонн к дому, нужно разделить массу дома на площадь опоры: 127762,5/3,71=34437,33. Данные показатели почти в 1,5 раза превосходят положенную норму, из-за чего пример расчета диаметра особенно удачен, потому что придется увеличить объем столбов на 50% и одновременно на 25% увеличить их концентрацию. При увеличении только объема увеличится вместе с этим и масса, а для компенсации массы можно использовать повышение количества столбов в процентном соотношении вдвое меньше увеличенного объема.

Пример расчета грунтов оснований фундамента под колонну

Проверим прочность грунтов основания, залегающих под подошвой отдельно стоящего столбчатого фундамента под несущую ж.б. колонну производственного здания на основании данных, полученных в ходе обследования и инженерно-геологических изысканий.

Обследование, в рамках которого был выполнен представленный ниже расчет, проводилось в связи с предстоящей реконструкцией производственного здания под административно-бытовые помещения. Цель расчета заключалась в необходимости определения резерва несущей способности грунтов, залегающих под подошвой существующего фундамента. Другими словами, требовалось установить, способен ли грунт воспринимать нагрузки, планируемые после реконструкции здания.

Алгоритм выполнения соответствующих расчетов описан в этой статье.

В ходе обследования установлено, что фундаменты под ж.б. колонны выполнены сборными столбчатыми стаканного типа по типовой серии 1.412-1. Под все колонны фундаменты запроектированы в одном типоразмере (марки 3Ф18.18) и состоят из подколонника высотой 1,05 м и одноступенчатой плитной части высотой 0,45 м. Подошва «стаканов» находится на отметке -1.900 м. Принципиальная конструкция фундаментов, установленная по результатам исследования контрольных шурфов, приведена на Рис.1.

Рис.1. Разрез по шурфу. Конструкция фундамента под колонну

Естественным основанием столбчатых фундаментов являются пески мелкие, средней плотности, насыщенные водой (ИГЭ-2), имеющие следующие прочностные и деформационные характеристики:

—	Плотность грунта:	ρ=1,96 т/м3
—	Угол внутреннего трения:	φ=35°
—	Сцепление грунта:	c_II=0,3 т/м2
—	Модуль деформации:	E=300 кг/см2

Схема для сбора нагрузок от покрытия и стен представлена на Рис.1. Схема для сбора нагрузок от элементов каркаса, грунта на уступах фундамента приведена на Рис.2.

Рис.2. Схема для сбора нагрузок от покрытия и стен (план)

Рис.3. Схема для сбора нагрузок от элементов каркаса

I. Сбор нагрузок по подошве фундамента

Грузовая площадь для подсчета нагрузки от конструкций покрытия согласно Рис.2 составит: Sгр = 6 x 6,38 = 38,3 м2. Равномерно-распределенная нагрузка на покрытие (плиты + кровля + снег) определена отдельно. Весовые характеристики типовых сборных ж.б. конструкций (колонн, стропильных балок, фундаментов и др.) определены по материалам соответствующих типовых серий.

Определим общую нагрузку (N) на грунт основания под фундаментом в/о 3-Ж от веса вышележащих конструкций (с учетом временной снеговой нагрузки и веса грунта на уступах фундамента):

1	Покрытие [624 кг/м²×38,3 м²]	21 585,9
2	Ж.б. стропильная балка 2БДР-12 [5000 кг×0,5]	2 500,0
3	Несущая ж.б. колонная сечением 400х400 мм	2 380,0
4	Наружная стена (с вычетом окон) [14,9м³×1800 кг/м³]	26 820,0
5	Железобетонные фундаментные балки 3БФ60-1	1 300,0
6	Вес пола над уступами [524кг/м²×1,8м²+0,46м³×1800кг/м³×2]	2 600,0
7	Вес грунта на уступах [2,31 м³×1980 кг/м³]	4 573,8
8	Собственный вес фундамента [2,51 м³×2500 кг/м³]	6 275,0
	ИТОГО, кгс:	68 034,7

Зная общую нагрузку (вертикальную силу) N, определим величину среднего давления на грунт под подошвой фундамента: σ = N / (b × l)= 68034,7 / 1.8 ×1.8 = 20998,4 кгс/м² ≈ 21 тс/м².

II. Расчет основания по деформациям

Определим расчетное сопротивление грунта основания по формуле (7) п.2.41 СНиП 2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений»:
где:
γ_c1=1,1 — коэффициент условий работы, принимаемый по Табл.3;
γ_c2=1,2 — то же;
k=1 — прочностные характеристики грунтов определены испытаниями;
М_y=1,68 — коэффициент, принимаемый по Табл.4 по значению угла внутреннего трения;
М_q=7,71 — то же;
M_c=9,58 — то же;
k_Z=1 — т.к. b<10;
b=1,8 — ширина подошвы фундамента, м;
γ_II=1,91 — усредненное значение удельного веса грунтов под подошвой фундамента, тс/м³;
γ’_II=1,98 — то же, залегающих выше подошвы, тс/м³;
с_II=0,3 — расчетное значение удельного сцепления грунта, тс/м²;
d₁=2,3 — глубина заложения фундамента от уровня планировки, м;
d_b=0 — расстояние от уровня планировки до пола подвала, м.

Подставляем представленные выше значения в формулу (7) СНиП 2.02.01-83*:Сравним полученное значение расчетного сопротивления грунта со средним давлением по подошве фундамента (σ):

[ σ = 21,0 тс/м² ] < [ R = 34,0 тс/м² ]

Таким образом, среднее давление по подошве фундамента (σ) оказалась меньше расчетного сопротивления грунта (R), из чего можно сделать вывод, что естественное основание фундаментов способно воспринимать расчетные эксплуатационные нагрузки, планируемые после реконструкции здания.

Расчет столбчатого фундамента, расчет свайного фундамента

Расчет столбчатого фундамента, свайный фундамент с ростверком

Простой онлайн калькулятор рассчитает точное количество требуемых строительных материалов для монолитного свайно-ленточного фундамента. Начните расчет сейчас!

Столбчато-ленточный фундамент

Чаще всего в загородном строительстве используют буронабивные сваи фундамента, которые идеально дополняются монолитной лентой – это самый простой и экономичный способ. Сваи берут на себя несущую функцию, тогда как ростверк (лента) берет на себя соединяющую функцию и таким образом равномерно распределяет нагрузку на столбы. Столбчатый монолитный железобетонный фундамент отлично подходит для пучинистых грунтов, когда земля промерзает и расширяется, при этом строение должно быть легким или средней тяжести. Фундамент на столбах идеальное решения для возведения деревянных, каркасных и дачных домов, а так же гаражей и хозяйственных построек. Столбчатый фундамент лучше не использовать при строительстве каменных или кирпичных домов.

Столбчатый фундамент своими руками

Онлайн калькулятор столбчатого фундамента позволяет вам не только произвести расчет количества столбов, количества арматуры и объема бетона, но и получить наглядные чертежи фундамента с ростверком и полную стоимость буронабивного фундамента с ростверком.

Технология предполагает заливку бетонного раствора в опалубку, для этого нужно заранее пробурить отверстия, при возведении частного дома земляные работы можно провести в ручную, без привлечения бурильной установки. Диаметр сваи рассчитывается из расчета давления, которое будет оказывать вес загородного дома. Сваи фундамента должны быть углублены ниже, чем уровень промерзания грунта в вашем регионе. Бетонные столбы подойдут для любой глубины, они могут быть монолитными, как в нашем случае, важно чтобы их ширина была минимум 400 мм. Асбестобетонные или металлические трубы подходящего диаметра можно залить бетоном, при этом исключаются работы по опалубке. Рекомендуемое расстояние между столбами не более 3 метров.

Несущая способность фундамента на сваях с ростверком

Учтите, что данный онлайн калькулятор предполагает только расчет материалов и затрат по вашему фундаменту, но не дает возможность просчитать несущую способность фундамента, так как для подобного расчета потребуется геодезия вашего участка, сбор нагрузок и прочее.

Расчет столбчатого фундамента: порядок проведения

Во многих случаях для возведения строений используют столбчатые фундаменты. Особенно, если строительная площадка размещена на проблемных грунтах, а само здание имеет не очень большую нагрузку.

Основание такого типа обойдётся дешевле, чем закладка ленточного фундамента. А если к обустройству основания подойти со всей серьёзностью и правильно выполнить расчет столбчатого фундамента, то получим довольно-таки прочную конструкцию под дом. Именно об этом и пойдёт речь в данной статье. Попробуем разобраться, с чего начитать и какие величины необходимо рассчитывать.

Нюансы столбчатого основания

Столбы подойдут для легкой постройки

Первоначально разберёмся, какие существуют отличия столбчатого основания от ленточного:

чаще всего использовать для зданий, которые возводятся из облегчённого строительного материала и не имеют больших габаритов. Примером может служить дом из бруса без обустройства подвала;
состоит из нескольких опор, размещённых в тех местах, в которых предполагается наибольшая нагрузка.

Устройство сборного основания

Различают столбчатый фундамент двух видов:

Монолит. Он обустраивается в виде столбов с обеспечением армирующих элементов залитых бетоном.
Сборный. Закладывается из отдельных столбов, которые впоследствии соединяются ростверком. Материалом для его установки являются металлические элементы, которые скрепляются между собой посредством сварки. Такой фундамент имеет слабые места, особенно в точках соединения.

По уровню заглубления столбчатые основания можно подразделить на заглублённые и мелкозаглублённые. Заглублённый обустраивается ниже уровня промерзания грунта, а мелкозаглублённый на глубину не более 7 см.

Для каждого из видов необходимо производить свои расчёты, учитывая факторы различного направления.

Первоначальные данные

Перед началом расчётов необходимо подготовить некоторые данные, которые используются при выполнении процесса:

уровень прохождения грунтовых вод. Необходимо обращать внимание на тот факт, как изменяется этот показатель от времени года;
насколько грунт промерзает в зимнее время года;
тип грунта;
предполагаемая нагрузка от массы дома и всего, что будет наполнять его;
непосредственно вес самого основания;
сезонные нагрузки, ветровые и снежные.

Расчёт нагрузки

Немаловажным фактором для обеспечения прочности базиса является проведение правильного расчёта нагрузки на столбчатый фундамент. Начинать следует с определения типа материала для возведения будущего строения. Таким способом, можно определить вес конструкции.

Размеры ростверка определаются после расчета нагрузки

Далее, добавив к данному значению вес всех элементов, которые будут использоваться, и сезонные воздействия, получим общую нагрузку на основание.

После того, когда общая нагрузка определена, устанавливают размеры ростверка, функция которого состоит в равномерном распределении веса на все столбы.

Также он поможет распределить изменения в почве, которые возникают при замерзании грунта.

Объем обвязки и ее массу необходимо распределять при условии, что средний удельный вес железобетона равен 2400 кг/м³.

После того, как определена данная величина, остаётся разобраться с типом почвы и необходимым количеством столбов.

Тип почвы

Изучая почву, пробурите отверстие ниже глубины промерзания

Столбчатый фундамент и его расчет определаются по геологическим условиям. При выполнении частных строительных работ определение типа грунта в лабораторных условиях не производятся. Чаще всего это определяется подручными средствами.

Для этого необходимо подготовить отверстие, которое будет обустроено на глубину ниже уровня промерзания грунта. Для каждого региона данные показатели отличаются. Это значение можно узнать из справочных материалов. К примеру, если уровень промерзания грунта около 1 м, то отверстие обустраивается глубиной 1,3 м. Затем отбираем образцы почвы и скатываем её в небольшой шарик.

Глинистые почвы легко формируются в комок и пачкают руку

Далее, по данному образцу делаем выводы:

Если шарик сформировать не получается, то на участке преобладает песчаный тип грунта. По фракции крупинок определяем сопротивление почвы: для мелкого – 2, для среднего – 3, для крупного – 4,5.
Если шарик сформировался, а при малейшем надавливании рассыпается, то тип почвы – супесь. Его сопротивление равно 3.
Если при надавливании шарик превращается в лепёшку, причём на краях не образуются трещины, то имеем глинистую почву. В этом случае степень сопротивления варьируется от 3 до 6.
При раздавливании шарика в лепёшку на краях образуются трещинки, то тип почвы – суглинок. Показатели сопротивления 2 – 4.

Следует помнить, что значение сопротивления грунта зависит от её уровня влажности и пористости. Правильно определиться с данным значением помогут данные, представленные в таблице:

Обращаем внимание на то, что данные значения подходят только для заглублённого фундамента.

Если же планируется обустройство мелкозаглублённого основания, то сопротивление следует рассчитывать по такой формуле: R=0,005хR0(100+h/3), где R₀-табличная величина, h – планируемая глубина закладки опор в сантиметрах.

Рассчитываем число опор

Число опор напрямую зависит от того, какая будет площадь её основания. Приведём пример, как рассчитать количество столбов в случае обустройства бурозабивных свай с диаметральным сечением 300 мм, с последующим обустройством башмака габаритами в 50 см. Используем формулу вычисления площади круга S=3,14*r². Подставив все значения, получим площадь равную 1960 см². Подробнее о расчете столбов основания смотрите в этом видео:

Предполагаемую нагрузку берём равную 100 т (F), сопротивление почвы – 4 (R). Воспользовавшись формулой R=F/(S*n) и поставив все известные значения, получим уравнение, решив которое, получим значение n (количество свай). В данном примере, получаем 13 опор.

К нагрузке дома прибавляйте вес самой опоры

Не забываем, что сами опоры также имеют определённый вес, поэтому их также учитываем в общей нагрузке. Для этого производим дополнительные вычисления. Например, если длина столба равна 2 м, то объём опоры вычисляем умножением площади основания на длину столба. В итоге получаем значение – 0,14 м³. Умножаем данное число на объёмный вес железобетона 2400 кг/м³ и определяем вес одной опоры, приблизительно 340 кг. А вес 13 таких опор бет равным около 4,5 т.

Прибавив вес опор в общую нагрузку и произведя повторные, более точные вычисления, получаем, что необходимо закладывать 14 опор.

В принципе, представленные вычисления не так уж и сложны, и выполнить их самостоятельно вполне реально. Для облегчения выполнения расчета свайного фундамента можно воспользоваться онлайн калькулятором. В данном случае просто вводятся исходные данные, а затем используем полученные результаты.

Способы и пример армирования столбчатого фундамента, видео

Основным конструкционным материалом столбчатого фундамента является бетон. Он прочен, надежен, долговечен. Он выдерживает значительные нагрузки на сжатие, а потому основание дома остается целым на протяжении всего времени эксплуатации здания, независимо от давления грунта на него. Однако существуют еще нагрузки на растяжение и изгиб. Они возникают при давлении всей конструкции на подземную часть постройки. Кроме того в холодное время года, когда грунт промерзает на значительную глубину, заледенелая земля пытается вытолкнуть из себя столбы фундамента, когда как не промерзший грунт удерживает его внутри. Чтобы под подобными нагрузками основание дома не потеряло своей целостности, используется армирование столбчатого фундамента.

Способы армирования столбчатого фундамента

Сегодня в строительном мире существуют следующие виды армирования столбчатого фундамента:

вертикальное – оно же и основное. Выполняется из ребристой арматуры, класса не ниже А-III. Толщина материала может лежать в пределах 10-15 мм. Данный показатель зависит от предполагаемых нагрузок на фундамент и вычисляется, исходя из табличных данных нормативной документации и полевых исследований. Фактурная поверхность арматуры обеспечивает улучшение ее степени сцепления с бетоном, что только усилит конструкцию. Вертикальная арматура проходит вдоль всего столба фундамента. В зависимости от площади сечения последнего вертикальных армирующих прутов может быть от 2 штук до 6 штук. Чем больше количество армирующих прутков содержит столб, тем равномернее распределится нагрузка на изгиб и растяжение, а следовательно долговечнее будет фундамент. Однако здесь нужно выполнять определенные требования к армированию столбчатого фундамента: армирующий каркас не должен проходить ближе, чем на 5 см к краю бетонного столба;
горизонтальное – считается вспомогательным. Выполняется из гладкой арматуры, диаметром не более 6 мм. Она необходимо лишь для обвязки каркаса. В таком случае последний не потеряет свой первоначальной формы.

Чаще всего столбчатый фундамент заканчивается горизонтальным ростверком. Данная конструкция также подлежит армированию, так как на нее действуют переменные нагрузки. С одной стороны от тяжелых несущих и ограждающий конструкций здания, а с другой – от вспучивания грунта. Последние передаются от столбов основания строения. Армирование ростверка проходит по принципу усиления армирующим каркасом ленточного конструкции.

Совет!!! Диаметр лучей арматуры рассчитываются исходя из относительного содержания железных прутьев в бетонном столбе. Так, общее сечение арматуры не должно быть меньше 0,1% от общего сечения столба основания дома.

Нормативная документация по армированию столбчатого фундамента

Армирование столбового фундамента проходит согласно следующего ряда нормативных документов:

СНиП 52-01-2003 о бетонных и железобетонных конструкциях;
СНиП 2.01.07-85 о нагрузках и воздействии;
СП 50-101-2004 проектирование и устройство различных оснований здания;
СНиП 3.02.01-87 основания и фундаменты, другие земляные сооружения.

Пример расчета армирования столбчатого фундамента

Примерный расчет армирования столбчатого фундамента:
Согласно СНиПу 52-01-2003, для армирования стандартного двухметрового столба, диаметром 200 мм необходимо 4 стальных прута с площадью поперечного сечения каждого до 10 мм. Согласно стандартам такой каркас должен закрепляться в минимум четырех местах горизонтальным армирование. Оно выполняется проволокой 6 мм в диаметре.

Итак, для одного столба для вертикального армирования нужно 8 м ребристой арматуры, для горизонтального армирования 1,2 м обычной стальной проволоки. Если фундамент е из приведенных значений умножаем на 30. Получаем необходимую для армирования столбчатой основы длину стальной проволоки.

Вывод

Итак, для усиления столбчатого фундамента необходимо вертикальное и горизонтальное армирование. Усилению стальной проволокой подлежит и горизонтальный ростверк. Армирование проводится только в полном соответствии с нормативной документацией. Согласно установленным нормам проводятся и предварительные расчеты относительно требуемого количества арматуры.

Видео-обзор заливки столбчатого фундамента:

Расчет массивных фундаментов под виброактивное оборудование

Кондин А.Д., Гоз М.А., Рациональное строительство фундаментов промышленных зданий , Москва, Стройиздат (1964).

Google Scholar

Новак М. Нелинейность вертикальных колебаний твердых тел в Праге, Acta Technol ., № 5 (1957).

Алексеев Б.Г. Расчет вертикальных колебаний подземных массивных фундаментов // Изв.Вузов. Строительство Архитектура , №4, 21-25 (1981).

Ильичев В.А., Динамическое взаимодействие конструкций с основанием и передача вибрации грунтом (промышленная сейсмика), Справочник конструктора , Стройиздат, Москва (1981).

Чернов Ю. Т. Колебания строительных конструкций. Аналитические методы расчета. Основы проектирования и регулирования вибрации строительных конструкций, подверженных эксплуатационным динамическим воздействиям , АСВ, Москва (2011).

Пятецкий В.М., Александров Б.К., Савинов О.А., Современные основы машин и их робототехническое проектирование , Стройиздат, Москва (1993).

Google Scholar

Савинов О.А., Современное проектирование и расчет фундаментов машин , Стройиздат, Москва (1979).

Google Scholar

Ильичев В.А., Р.А. Мангушев, Справочник геотехники. Фундаменты, фундаменты и подземные сооружения , АСВ (2016).

Ильичев В.А., Холмянский М.Л. Учет заглубления при определении коэффициентов жесткости и демпфирования фундаментов машин. Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений. Тезисы докладов 7-й Всесоюзной конференции , Москва. , 1989.

10.

М. Новак, Некоторые вопросы о колебаниях оснований и оснований.Динамика строительных конструкций , Стройиздат, Москва (1965).

11.

Солодовников В.В., Статистическая динамика линейных систем автоматического управления , Физматгиз, Москва (1960).

Google Scholar

12.

Чернов Ю. Т., Осипова М. В. Общий случай колебаний массивных тел на упругих опорах // Строит. Мех. Raschet Sooruj. , № 4 (261), 58-63 (2015).

13.

Ю. Т. Чернов, М. Д.-К. Зебилила. Планарные колебания массивных виброизолированных тел при произвольном смещении основания. Нашел. Eng ., No. 3, 55 , 190-194 (2018).

Расчет нагрузки на колонну, балку и плиту

Общий Lo ad Расчет на колонны, балки, перекрытия , мы должны знать о различных нагрузках, приходящих на колонну. Как правило, расположение колонн, балок и перекрытий можно увидеть в конструкции каркасного типа. В каркасной конструкции нагрузка передается от плиты к балке, от балки к колонне и в конечном итоге достигает фундамента здания.

Для расчета нагрузки здания необходимо рассчитать нагрузки на следующие элементы:

Что такое столбец

Колонна — это вертикальный элемент строительной конструкции, который в основном предназначен для восприятия сжимающей и продольной нагрузки. Колонна — один из важных конструктивных элементов строительной конструкции. В зависимости от нагрузки, поступающей на столбец, размер увеличивается или уменьшается.

Длина колонны обычно в 3 раза больше их наименьшего поперечного размера в поперечном сечении.Прочность любой колонны в основном зависит от ее формы и размеров поперечного сечения, длины, расположения и положения колонны.

Расчет нагрузки на колонну

Что такое Beam

Балка — это горизонтальный конструктивный элемент в строительстве, который предназначен для восприятия поперечной силы, изгибающего момента и передачи нагрузки на колонны с обоих концов. Нижняя часть балки испытывает силу растяжения и силу сжатия верхней части. Таким образом, в нижней части балки предусмотрено больше стальной арматуры по сравнению с верхней частью балки.

Что такое плита

Плита представляет собой ровный конструктивный элемент здания, на котором предусмотрена ровная твердая поверхность. Эти плоские поверхности плит используются для изготовления полов, крыш и потолков. Это горизонтальный структурный элемент, размер которого может варьироваться в зависимости от размера и площади конструкции, а также может варьироваться его толщина.

Но минимальная толщина плиты указана для нормального строительства около 125 мм. Как правило, каждая плита поддерживается балкой, колонной и стеной вокруг нее.

Нагрузка на колонну, балку и плиту

1) Собственная масса колонны X Количество этажей

2) Собственная масса балок на погонный метр

3) Нагрузка стен на погонный метр

4) Общая нагрузка на плиту (статическая нагрузка + динамическая нагрузка + собственный вес)

Помимо указанной выше нагрузки на колонны также действуют изгибающие моменты, которые необходимо учитывать при окончательном проектировании.

Наиболее эффективным методом проектирования конструкций является использование передового программного обеспечения для проектирования конструкций, такого как ETABS или STAAD Pro.

Эти инструменты представляют собой упрощенный и трудоемкий метод ручных расчетов для проектирования конструкций, который в настоящее время настоятельно рекомендуется в полевых условиях.

для профессионального проектирования конструкций, есть несколько основных допущений, которые мы используем при расчетах нагрузок на конструкции.

Подробнее : Как рассчитать количество стали для плиты

1. Расчет нагрузки на колонну (расчет конструкции колонны)

мы знаем, что собственный вес бетона составляет около 2400 кг / м3, , что эквивалентно 240 кН, а собственный вес стали составляет около 8000 кг / м3.

Итак, если мы примем размер колонны 230 мм x 600 мм с 1% стали и стандартной высотой 3 метра, собственный вес колонны составит около 1000 кг на пол, что id равно 10 кН.

Объем бетона = 0,23 x 0,60 x 3 = 0,414 м³
Вес бетона = 0,414 x 2400 = 993,6 кг
Вес стали (1%) в бетоне = 0,414 x 0,01 x 8000 = 33 кг
Общий вес колонны = 994 + 33 = 1026 кг = 10 кН

При расчетах конструкции колонны мы предполагаем, что собственный вес колонн составляет от от 10 до 15 кН на этаж. .

2. Расчет балочной нагрузки

Мы применяем тот же метод расчета для балки.

мы предполагаем, что каждый метр балки имеет размеры 230 мм x 450 мм без учета толщины плиты.

Предположим, что каждый (1 м) метр балки имеет размер

230 мм x 450 мм без плиты.
Объем бетона = 0,23 x 0,60 x 1 = 0,138 м³
Вес бетона = 0.138 x 2400 = 333 кг
Вес стали (2%) в бетоне = = 0,138 x 0,02 x 8000 = 22 кг
Общий вес колонны = 333 + 22 = 355 кг / м = 3,5 кН / м

Таким образом, собственный вес будет около 3,5 кН на погонный метр.

3. Расчет нагрузки на стену

известно, что плотность кирпича колеблется от до 1500 до 2000 кг на кубический метр.

Для кирпичной стены толщиной 6 дюймов, высотой 3 метра и длиной 1 метр,

Нагрузка на погонный метр должна быть равна 0,150 x 1 x 3 x 2000 = 900 кг,

, что эквивалентно 9 кН / метр.

Этот метод можно использовать для расчета нагрузки кирпича на погонный метр для любого типа кирпича с использованием этого метода.

Для газобетонных блоков и блоков из автоклавного бетона, таких как Aerocon или Siporex, вес на кубический метр составляет от 550 до кг на кубический метр.

, если вы используете эти блоки для строительства, нагрузка на стену на погонный метр может быть всего 4 кН / метр , использование этого блока может значительно снизить стоимость проекта.

Расчет нагрузки на колонну

4.

Расчет нагрузки на перекрытие

Предположим, что плита имеет толщину 125 мм.

Таким образом, собственный вес каждого квадратного метра плиты будет

= 0.125 x 1 x 2400 = 300 кг, что эквивалентно 3 кН.

Теперь, если мы рассмотрим чистовую нагрузку, равную 1 кН на метр, а добавленную динамическую нагрузку, равную , 2 кН, на метр.

Итак, исходя из приведенных выше данных, мы можем оценить нагрузку на плиту примерно в от 6 до 7 кН на квадратный метр.

5. Фактор безопасности

В конце концов, рассчитав всю нагрузку на колонну, не забудьте добавить коэффициент запаса прочности, который наиболее важен для любой конструкции здания для безопасной и удобной работы здания в течение его расчетного срока службы.

Это важно, когда выполняется расчет нагрузки на колонну.

Согласно IS 456: 2000 коэффициент безопасности составляет 1,5.

как рассчитать нагрузку на здание pdf скачать

Посмотреть видео: Расчет нагрузки на колонну

Часто задаваемые вопросы

Q.1 Как рассчитать нагрузку на балку?

Факторами, влияющими на общую нагрузку на балку, являются вес бетона и вес стали (2%) в бетоне.
Следовательно, Общий вес балки = Вес бетона + Вес стали .
Приблизительная нагрузка на балку размером 230 мм x 450 мм составляет около 3,5 кН / м.

Q.2 Как рассчитать нагрузку плиты на балку?

Обычно плита имеет толщину 125 мм. Таким образом, собственный вес каждого квадратного метра плиты будет равен произведению толщины плиты и нагрузки на квадратный метр бетона , которая оценивается примерно в 3KN .
Учитывайте чистовую нагрузку и наложенную временную нагрузку,
Общая нагрузка на плиту будет составлять около 6–7 кН на квадратный метр .

Q.3 Как продолжить расчет нагрузки на стену?

Расчет нагрузки на стену:
1. Плотность кирпичной стены с раствором находится в диапазоне 1600-2200 кг / м3 . Таким образом, мы будем считать собственный вес кирпичной стены равным 2200 кг / м3
2. Мы будем рассматривать размеры кирпичной стены как Длина = 1 метр, Ширина = 0.152 мм, а высота = 2,5 метра, следовательно, объем стены = 1 м × 0,152 м × 2,5 м = 0,38 м3
3. Рассчитайте статическую нагрузку кирпичной стены, которая будет равна: Вес = объем × плотность, Собственная нагрузка = 0,38 м3 × 2200 кг / м3 = 836 кг / м
4, что равно 8,36 кН / м — опора кирпичной стены.

Q.4 Что такое столбец?

A Колонна — это вертикальный компонент строительной конструкции, который в основном предназначен для восприятия сжимающей и продольной нагрузки .Колонна — один из важных конструктивных элементов строительной конструкции. В зависимости от нагрузки, поступающей на столбец, размер увеличивается или уменьшается.

Q.5 Как рассчитать статическую нагрузку на здание?

Расчет Статическая нагрузка для здания = Объем элемента x Удельный вес материалов.
Это делается путем простого вычисления точного объема каждого элемента и умножения на удельного веса соответствующих материалов , из которых он состоит, и статическая нагрузка может быть определена для каждого компонента.

Вам также может понравиться:

Связанные

Расчет приложенного давления в подшипниках.

Рисунок 10.15 показывает типичный пример, когда нагрузка является осевой и нет изменений уровня земли или дополнительной нагрузки. Хотя этот простой пример будет охватывать большую часть построенных фундаментов, необходимо рассмотреть более общую ситуацию, сначала для расчета общего и полезного давления в подшипниках с вариациями надбавок и / или уровней грунта, а затем для эффектов внесения асимметричной нагрузки.

В то время как на хороших несущих почвах умеренные доплаты и / или изменения уровня земли будут иметь небольшое влияние на несущую способность почвы, в плохих почвенных условиях или там, где изменения нагрузки значительны, они могут иметь драматический эффект. Таким образом, в общем случае чистое увеличение нагрузки N определяется формулой

Это схематически показано на Рис. 10.16 .

Следует отметить, что там, где уровень почвы был значительно снижен на за счет капитальной реконструкции участка или на
за счет строительства подвалов и т.п., следует учитывать влияние пучения, особенно в глинах или при наличии артезианских грунтовых вод. давления.

Почти всегда достаточно точно принять вес нового фундамента и засыпки равным весу перемещенного грунта, то есть FB ~ SB. Таким образом, уравнения для чистого увеличения нагрузки и чистого увеличения давления почвы упрощаются до:

Когда уровни грунта и избыточное давление изменяются только номинально, FS ~ SS, и поэтому формулы уменьшаются до

т.е. чистое увеличение нагрузки на грунт равно нагрузке от надстройки, как упоминалось ранее.

В приведенных выше примерах фундамент подвергался осевой нагрузке, так что общее давление в подшипнике равно

Хотя это наиболее распространенная ситуация, и очевидно, что эффективный принцип проектирования заключается в создании фундамента, который использует максимальное доступное опорное давление по всему основанию, во многих случаях это нецелесообразно, и неравномерное давление в фундаменте имеет следует рассматривать. Эта неравномерность обычно вызвана:

(1) Приложенная нагрузка P надстройки не находится в центре тяжести фундамента.
(2) Надстройка, прикрепляемая к фундаменту таким образом, что моменты передаются в фундамент (например, неподвижные основания жестких каркасов качения).
(3) Приложение горизонтальных нагрузок.

(4) Изменения относительных нагрузок на комбинированные основания (например, основания, несущие две или более колонны).

Таким образом, в общем случае полное давление под основанием с малым неуравновешенным моментом составляет

Момент MT рассчитывается с учетом моментов относительно центра тяжести на нижней стороне фундамента.В этих случаях обычно полезно учитывать полное давление в подшипнике, которое учитывает уравновешивающий эффект результирующей силы из-за эксцентрических нагрузок и / или приложенных моментов.

То же, что и для простой конструкции балки, если

давление будет отрицательным и напряжение, теоретически, будет развиваться. Однако для большинства фундаментов невозможно надежно развить натяжение, и давление в фундаменте либо сжимающее, либо нулевое.

Для простого прямоугольного фундамента

где eT — результирующий эксцентриситет фундамента.

Следовательно, если eT меньше L / 6, фундамент будет полностью сжат на мм. Это известно как правило средней трети, которое проиллюстрировано ранее.

Если eT больше L / 6, треугольное распределение напряжения создается под частью основания и ноль под остальной частью, а максимальное давление в подшипнике рассчитывается с использованием теории укороченного основания, которое для прямоугольного основания составляет

(см. F , рис. 10.17 (c) ).

Опять же, преимущества могут быть получены путем учета общего давления в подшипнике, таким образом, используя нагрузки на фундамент, которые уменьшают опрокидывание и увеличивают эффективную длину диаграммы давления.Следует также учитывать расположение основания так, чтобы вертикальные нагрузки P и F использовались для противодействия влиянию любого момента или горизонтальных нагрузок. В примере, показанном на рис. 10.17 , нагрузка P должна быть слева от центральной линии, так что формула для расчета общего эксцентриситета принимает вид

В идеале eT должно быть равно нулю или

Несмотря на то, что при проектировании оснований с осевой нагрузкой уместно сравнить существующую нагрузку с новой нагрузкой на землю , в более общем случае, когда нагрузки являются эксцентричными, необходимо учитывать допустимое опорное давление (чистое или полное) с учетом приложенное давление в фундаменте (чистое или полное), и рекомендуется сравнивать давления, а не нагрузки во всех случаях, чтобы поддерживать постоянство
и избежать путаницы.

Эксцентрично нагруженные прямоугольные подушки или ленточные фундаменты обычно проектируются по правилу средней трети, где это применимо. Для других форм и условий применяется метод проб и ошибок. Выбирается базовый размер и сравниваются результирующие давления в подшипниках с допустимыми; базовый размер регулируется в большую или меньшую сторону, и вычисления повторяются до тех пор, пока максимальное давление в подшипнике не станет близким к допустимому. Опыт вскоре позволит инженеру сделать довольно точное первое предположение о размере требуемой базы и сократить количество необходимых итераций.

Рис. 10.16 Определение нагрузок и давлений — общий случай.

Рис. 10.17 Фундамент при изгибе вокруг одной оси.

Экспериментальные исследования на месте уплотнения перекрывающих пород для фундамента из базальтовых колонн с сочленениями

Каменный массив фундамента плотины на Байхетанской гидроэлектростанции на реке Цзиньша в основном состоит из столбчатого базальта с трещинами и трещинами. Принимая во внимание неблагоприятные факторы, такие как ослабление разгрузки или раскрытие трещин из-за взрывных работ при выемке грунта, для улучшения целостности горной массы фундамента плотины требуется затирка уплотняющего раствора.По физико-механическим свойствам столбчатого сочлененного базальта и непрерывности конструкции экспериментально изучается эффективность цементного раствора перекрывающих пород. Результаты показывают, что эта технология цементации, очевидно, может улучшить целостность и однородность массива горных пород основания плотины и снизить проницаемость массива. После цементирования среднее увеличение волновой скорости горного массива составляет 7,3%. Среднее улучшение модуля деформации после заливки раствором составляет 13.5%. После затирки проницаемость 99% контрольных отверстий в испытательной секции Lugeon имела значения Lugeon не более 3 LU. Это улучшение является значительным и служит аргументом для инженерного применения.

1. Введение

Безопасная эксплуатация арочной плотины зависит от безопасности основания плотины, конструкции плотины, гидравлического устройства и водной среды резервуара. Фундамент арочной плотины при нормальной эксплуатации испытывает огромные гидравлические нагрузки. Китай построил много плотин, но с развитием науки и технологий и совершенствованием инженерных технологий многие плотины были построены в сложных геологических условиях [1].Гидроэлектростанция Сяовань, гидроэлектростанция Ксилуоду и плотина гиперболической арки Катсе высотой 180 метров в Лесото построены на базальте. Однако базальтовый участок Байхетанской арочной плотины более сложен. Базальт на участке Байхетанской плотины характеризуется неравномерными и волнистыми столбчатыми трещинами, неправильным и неполным цилиндрическим сечением, низким уровнем развития неявных трещин и низким модулем деформации, развитием поясов сдвига, низкой прочностью на деформацию и сдвиг, а также плотностью трещин в некоторых литологических сегментах [ 2].Столбчатые соединения и микротрещины в свежих столбчатых сочлененных базальтах представляют собой жесткие структурные поверхности, закрытые под ограничивающим давлением, легко открываемые и расслабляющиеся после сброса ограничивающего давления [3–18]. Он не может удовлетворить требования достаточной несущей способности и устойчивости горного массива основания плотины как арочной плотины. Для увеличения сопротивления деформации фундамента, улучшения сопротивления сдвигу и просачиванию поверхности конструкции, предотвращения релаксации разгрузки коренных пород на поверхности фундамента, уменьшения воздействия раскрытия поверхности трещин взрывных работ при земляных работах и улучшения целостности горной массы фундамента плотины. , необходимо провести испытание на цементный раствор для фундамента плотины, изучить и доказать возможность и надежность горного массива в качестве основания арочной плотины после цементации, а также предоставить рекомендации для разумного проектирования и определения параметров строительства цементного раствора консолидации горного массива в площадь плотины.Типичные базальтовые столбчатые швы типа І показаны на рисунке 1.

Некоторые ученые изучали технологию предотвращения просачивания при армировании фундамента плотины для различных массивов горных пород. Wu et al. [19] изучали деформацию базальтового фундамента арочной дамбы Ксилуоду. Деформация горного массива основания плотины во время земляных работ постоянно отслеживалась, и был сделан вывод об отсутствии длительной разгрузочной деформации горного массива основания плотины. Fan et al.[20] обнаружили, что когда дамба гиперболической арки Катсе, построенная на базальте, была выкопана до русла реки, из-за высокого горизонтального напряжения произошло коробление базальтового слоя и мягкого брекчированного слоя. Develay et al. [21] изучали строительство основной плотины проекта водного хозяйства Байсе на диабазовых дамбах и использовали цементный раствор для укрепления слегка выветрившихся горных массивов. Хомас и Томас [22] провели полевые и лабораторные испытания цементного раствора в трещиноватом массиве горных пород и получили лучшее представление о давлении затирки и затирочных материалах.Чжао [23] использовал методы химической заливки и замены бетона для обработки слабых слоев горных пород в фундаменте гидроэлектростанций Эртан и Шапай. Кроме того, Ли и Тан [24] изучали анкеровку горных пород и заливку цементным раствором. Карл [25] изучал использование чешуйчатого гранита в качестве основания плотины. Туркмен и др. [26] использовали цементный раствор для решения проблемы просачивания карстового известнякового фундамента плотины Каледжик (юг Турции) и построили цементную завесу длиной 200 м и глубиной 60 м вдоль плотины. Kikuchi et al.[27] изучили улучшение механических свойств фундаментов плотин за счет цементации соответствующего массива горных пород и пришли к выводу, что цементация может улучшить однородность и деформацию массивов горных пород. Salimian et al. [28] изучали влияние цементного раствора на характеристики сдвига скальных швов, и результаты показали, что цементный раствор положительно влияет на прочность горных пород на сдвиг. С уменьшением водоцементного отношения прочность цементного раствора на сжатие увеличивается, но его прочность на сдвиг не обязательно увеличивается.

В предыдущих исследованиях это может указывать на то, что столбчато-сочлененный базальт редко упоминается как инженерный случай фундамента высокой арочной плотины, а также мало ученых, которые проводят исследования по технологии армирования столбчато-сочлененного базальта в качестве фундамента арки. плотина. Столбчато-сочлененный базальт, использованный в качестве фундамента высокой арочной дамбы, встречается редко. Из-за наличия столбчатых швов и при комбинированном воздействии удара, падения и напряжения на месте сдвиговая деформация часто происходит вдоль забоя выемки с увеличением глубины выемки.Для увеличения сопротивления деформации фундамента, уменьшения воздействия взрывных работ, вызванных земляными работами, раскрытие поверхности трещины в основании плотины, а также для повышения сопротивления проницаемости структурной поверхности и целостности горного массива фундамента плотины. В соответствии с физико-механическими свойствами столбчато-сочлененного базальта, которые требуют тщательного исследования, принят метод цементации перекрывающих пород для уменьшения скального массива фундамента плотины и выработки котлована при разгрузке и повреждении.Кроме того, столбчатые швы в мелководном базальте открываются за счет релаксации напряжений, и это также решает проблему растрескивания при использовании цементного раствора бетонного покрытия [29–31], эффективно улучшая сопротивление деформации и сопротивление проницаемости структурной плоскости при сдвиге; кроме того, этот подход подходит для использования при непрерывном строительстве фундамента высокой арочной дамбы.

2. Обзор проекта

2.1. Краткое описание проекта

Гидроэлектростанция Байхетань расположена в округе Ниннань, провинция Сычуань, и округе Цяоцзя, провинция Юньнань, ниже по течению реки Цзиньша, основного притока реки Янцзы.Станция связана с гидроэлектростанцией Удонгде и примыкает к гидроэлектростанции Ксилуоду. Расположение Байхетанской ГЭС показано на Рисунке 2.

Заграждение представляет собой бетонную арочную плотину с двойным изгибом с высотой верхней точки плотины 834 м, максимальной высотой плотины 289 м, толщиной арочной крыши 14,0 м, максимальная толщина торца свода 83,91 м, в том числе максимальная толщина расширенного фундамента 95 м. Длина дуги вершины плотины составляет примерно 209.0 м, разделенный на 30 поперечных стыков, и 31 участок плотины. Бетонная подушка установлена выше отметки 750,0 м, основание участка дамбы расширено, но продольные швы в дамбе не устанавливаются. Нормальный уровень воды в водохранилище составляет 825 м, а общая вместимость высокого водохранилища составляет 20,627 млрд м3 ³. Установленная мощность электростанции — 16000 МВт, среднегодовая генерирующая мощность — 62,521 млрд кВтч.

2.2.Инженерная геология Правобережья

2.2.1. Литология формации

Коренная порода на участке плотины в основном состоит из базальта (P ₂ β ₃ ~ P ₂ β ₆) формации Эмейшан, которая в основном состоит из микрокристаллических и скрытокристаллических базальтов. , далее следуют порфировые базальты с миндалевидными кристаллами, с прослоями базальтовых брекчированных лав и туфов. Столбчатые соединения в этом базальте образуют колонны разного размера и длины, которые можно разделить на три типа в соответствии с их характеристиками развития (см. Таблицу 1).Базальты и четвертичные аллювиальные слои в основном обнажаются у основания плотины ниже 600 м на правом берегу. Слои базальта с порами миндалевидной формы выходят на поверхность из P ₂ β ₃ ⁴ выше отметки 590 м; в P ₂ β ₃ ^3-4, слои обнажения скрытокристаллического базальта на высоте 590 ~ 580 м и ниже на высоте 580 м; в P ₂ β ₃ ³, слои базальта столбчато-сочлененного типа I с диаметром колонн 13 ~ 25 см и микротрещинами, развитыми внутри колонн.

9005 І

отметка 545 м, слой P ₂ β ₃ ^2-3 — брекчия лава.В P ₂ β ₃ ³ столбчатые базальты с диаметром колонн 13 ~ 25 см в основном обнажаются в правом берегу основания плотины. Выше P ₂ β ₃ ³ — слои P ₂ β ₃ ^3-4 скрытокристаллический базальт. Покрытие русла реки — песок, мелкий гравий и беленый камень. Толщина фундамента плотины составляет от 11,8 м до 26,85 м, высота самой нижней коренной кровли — 552.41 мес. Породный массив фундамента в основном состоит из столбчатого базальта первого типа в основании слоя P ₂ β ₃ ³ и брекчированной лавы P ₂ β ₃ ^2-3 слой. Подстилающий массив горных пород представляет собой второй тип столбчатого базальта в слое P ₂ β ₃ ^2-2 и кристаллический базальт в слое P ₂ β ₃ ^2-1 слой.Глубокая часть (высота до 500 м) представлена брекчированной лавой на слое P ₂ β ₃ ¹ и скрытокристаллическим базальтом, порфировым базальтом и кристаллическим базальтом. Толщина брекчированной лавы в слое P ₂ β ₃ ^2-3 составляет 6,60 ~ 10,40 м, а высота дна обычно составляет 550 ~ 520 м слева направо. Толщина столбчатого базальта второго типа слоя P ₂ β ₃ ^2-2 составляет 25.70 ~ 27,70 м, а высота этажа обычно составляет 520 ~ 490 м слева направо.

2.2.2. Характеристики столбчато-сочлененного базальта

Считается, что охлаждение и сжатие магмы сформировали столбчатые сочленения в районе Байхетанской плотины. Столбчато-сочлененный базальт образован химическими реакциями хлорита, каолинита, эпидота и тремолита, а в заполнителях столбчатых трещин преобладает хлорит. На участке плотины залегает столбчато-сочлененный базальт I типа с высокой плотностью стыков, широкими отверстиями для стыков и волнистыми столбчатыми стыковочными поверхностями, которые обычно разрезают породу на полные колонны; модуль горизонтальной деформации этого базальта составляет 9 ~ 11 ГПа, а модуль вертикальной деформации составляет 7 ~ 9 ГПа.Эти породы имеют серовато-черный цвет и содержат непроходящие микротрещины, помимо столбчатых трещин. Столбчато-сочлененные базальты разделены на гексагональные или другие неправильные призматические формы и образуют одновременно продольные и поперечные микротрещины, а в базальтах имеется много структурных плоскостей с низким падением. Согласно классификации качества инженерно-геологических массивов, при релаксации поверхностного слоя после разгрузки целостность горного массива ухудшается из-за развития трещин.

2.2.3. Геологическое строение

F ₁₄ и F ₁₆ представляют собой круто падающие разломы северо-западного простирания, которые пересекают русло реки под тупым углом и обнажаются на правой стороне ниже по течению от основания русловой плотины. Русло развивается только в русле C ₂, которое глубоко залегает на 120 м ниже русла реки у основания плотины, с отметкой ниже 430 м.

Зоны дислокации RS ₃₃₁, RS ₃₃₆, RS ₃₃₁₅, VS ₃₃₃, VS ₃₃₂ и т. Д.находятся в обнаженном слое фундамента плотины, а остальные зоны дислокации VS ₃₂₁₀, VS ₃₂₁₅, VS ₃₂₁₆ и др. заглублены ниже фундамента. За исключением RS ₃₃₆, большинство этих зон дислокации короткие, и большинство из них распределены периодически вдоль слоя потока, что обеспечивает некоторую связь вдоль слоя потока. Распределение столбчатых базальтовых зон и зон сдвига показано на Рисунке 3.

2.2.4. Напряжение грунта

Ориентация максимального горизонтального главного напряжения близка к восточно-западному, что почти перпендикулярно потоку реки.Ориентация минимального горизонтального главного напряжения составляет приблизительно север-юг. Горный массив в диапазоне 0 ~ 40 м ниже поверхности коренных пород (глубина 20 ~ 60 м) находится в состоянии релаксации, что создает зону релаксации напряжений с максимальным горизонтальным главным напряжением 3 ~ 6 МПа. В диапазоне 40 ~ 70 м ниже поверхности коренных пород (глубина 60 ~ 90 м) наблюдается повышенное напряжение с максимальным горизонтальным главным напряжением 6 ~ 12 МПа, вызывающее явление локальной концентрации напряжений. Существует зона концентрации напряжений на 70 ~ 130 м ниже поверхности коренных пород (глубина примерно 90 ~ 150 м) с максимальным горизонтальным главным напряжением 22 ~ 28 МПа и минимальным горизонтальным главным напряжением 13 ~ 15 МПа.

На склоне правого берега залегает частично ненагруженный массив горных пород, залегающий на глубине 200 м. Ориентация максимального горизонтального главного напряжения — это север-юг, который почти параллелен потоку реки, а мелководная поверхность отклоняется к ближайшей горе с севера на северо-восток. Среднее максимальное горизонтальное главное напряжение на прибрежном склоне составляет примерно 6,0 МПа, а среднее минимальное горизонтальное главное напряжение составляет примерно 4,6 МПа. Ориентация первого главного напряжения составляет приблизительно север-юг, с умеренным углом наклона приблизительно 35 ° и величиной 7 ~ 11 МПа.Вторая основная ориентация напряжения — S20 ° в.д., а угол падения — от умеренного до крутого. Третье главное напряжение имеет следующие свойства: ориентация, N80 ° W; наклон, 21 °; магнитудой 5 ~ 7 МПа.

3. Затирочный материал

3.1. Сырье

3.1.1. Цемент

Обычный портландцемент 42,5R, производимый цементной компанией в Юньнани, используется в этом исследовании. Крупность цемента составляет менее 5% допуска на сито через сито с квадратными отверстиями 80 мкм м.Характеристики соответствуют соответствующим требованиям общего китайского стандарта на портландцемент (GBl75-2007). Химические составляющие портландцемента, использованного в этом исследовании, показаны в таблице 2. Начальное время схватывания составляет 155 мин. Время окончательного схватывания 235 мин. 28 d прочность на сжатие 46,3 МПа.


Категория	Длина колонны (м)	Диаметр колонны (см)	Фрагментация горных пород (см)	Распределение
2,0 ~ 3,0	13 ~ 25	5	P ₂ β ₃ ², P ₂ β ₃ ³
0.5 ~ 2,0	25 ~ 50	10	P ₂ β ₃ ², P ₂ β ₆ ¹, P ₂ ¹, P ₂ β ₈ ²
Тип III	1,5 ~ 5,0	50 ~ 250	—	P _{4 2} ², P ₂ β ₂ ³, P ₂ β ₄ ¹	Неполная резка
7
7
7


Химические составляющие	SiO ₂	Al ₂ O ₃	Fe ₂ SO 905 905 905 905 905 3	Потери при возгорании
Содержание (%)	22.3	7,1	4,5	2,4	56,6	2,2	2,5

3,2. Соотношение цементного раствора и размер частиц

В соответствии с китайским стандартом DL / T5148-2012 (Техническая спецификация на цементный раствор для строительства гидротехнических сооружений) и специалистами, затирка цементным раствором отверстия последовательности І и участка последовательной скважины II с использованием обычного портландцементного раствора, мокрого- Для ямы III последовательности используется цементный раствор.Водоцементное соотношение (массовое соотношение воды и цемента) обычного портландцементного раствора испытывается на четырех уровнях (2: 1, 1: 1, 0,8: 1 и 0,5: 1). Водоцементное соотношение влажного цементного раствора тестируется на четырех уровнях (3: 1, 2: 1, 1: 1 и 0,5: 1). Для метода мокрого измельчения цемента в соответствии с китайским стандартом SL578-2012 (Технический кодекс для экспериментов и применения тонкодисперсного цементного цементного раствора), оборудование для мокрого измельчения от Института автоматизации Академии наук реки Янцзы Ухань, инструмент GJM– FII использовался для мокрого шлифования.Образец был взят из цемента, который трижды измельчали (каждый раз по 3 ~ 4 мин) на месте.

Размер частиц влажного цемента был проанализирован с помощью лазерного анализатора размера частиц NSKC-1, оборудования Института автоматизации Академии наук реки Янцзы в Ухане. Был проведен гранулометрический анализ цемента с влажным грунтом, результаты показаны на рисунке 4. Согласно рисунку 4,, и. Согласно требованиям технических условий, учитываемых для мокрого помола, после мокрого помола размер частиц цемента и.Таким образом, данные на Рисунке 4 показывают, что цемент после мокрого помола соответствует требованиям спецификации. После заливки швом І или II трещиноватость породы уменьшается. Согласно спецификации, ширина трещины в горном массиве составляет 0,1 ~ 0,5 мм после соответствующего использования цемента с влажным грунтом. Размер очередной скважины III может быть уменьшен, поскольку размер зерна цементного раствора мокрого помола невелик и может улучшить способность раствора течь в очень мелкие трещины. В то же время, чтобы увеличить насыщение цементного раствора, водоцементное соотношение цемента с влажным грунтом доводят до 3: 1, а способность суспензии к впрыскиванию увеличивается за счет разжижения раствора и уменьшения размера частиц.

3.3. Характеристики суспензии

3.3.1. Плотность раствора

Плотность раствора является основой для расчета общего количества цементного раствора, а также важным показателем для корректировки водоцементного отношения цементного раствора. В соответствии с китайским стандартом DL / T5148-2012 (Техническая спецификация для цементного раствора при строительстве гидротехнических сооружений), датчик плотности бурового раствора типа 1002 используется для измерения плотности раствора. Плотности раствора для различных соотношений воды и цемента показаны в таблице 3.Таблица 3 показывает, что по мере уменьшения водоцементного отношения плотность раствора увеличивается, и раствор также загустевает. Плотность цемента увеличивается, потому что плотность воды уменьшается.

Плотность


W / C	3: 1	2: 1	1: 1	0,8: 1	0,5: 1
	Плотность шлама		1,30	1,53	1,62	1.85

3.3.2. Скорость дренажа

В соответствии с китайским стандартом DL / T5148-2012 (Техническая спецификация на цементный раствор для строительства гидротехнических сооружений), цилиндр цементного раствора объемом 100 мл был измерен под массой объема воды, которая могла бы накапливаться в результате 2-часовой выдержки. осадков, и отношение этого измерения к начальному объему суспензии называется скоростью дренажа. Скорость дренажа может до некоторой степени отражать стабильность раствора.Таблица 4 показывает, что скорость осушения раствора с водоцементным соотношением 3: 1 может превышать 80 ~ 90%, тогда как скорость осушения раствора с соотношением воды и цемента 1: 1 составляет примерно 35%, что указывает на что большая часть воды в тонком растворе, который был введен в трещины или отверстия в скале во время затирки, слилась. Однако скорость осушения цементного раствора мокрого помола ниже, чем перед измельчением, и чем ниже соотношение воды и цемента, тем больше снижение из-за адсорбируемости частиц цемента.После мокрого шлифования площадь контакта цемента с водой увеличивается, что приводит к снижению скорости отвода воды. Во время фактического процесса заливки цементный раствор вводится в трещины горных пород под большим давлением. Из-за этого эффекта высокого давления период анализа воды сокращается, и выжимается больше воды, поэтому частицы уплотняются более плотно, а прочность суспензии увеличивается.

9049 4,1 Метод измельчения 4,1 Тестовая позиция

Участок плотины № 25 на высоте 609,76 ~ 590 м включает в себя плоскость постоянного фундамента и имеет следующие характеристики: коэффициент уклона котлована 1: 0,79 ~ 1: 1,27; простирайте N49 ° ~ 52 ° W; длина верхней и нижней стороны, 92.0 м и 94,8 м соответственно; длина откоса 13,5 ~ 16,2 м; и площадью 1367,7 м. Эксперты определили, что испытание цементного раствора перекрывающих слоев основания плотины на отметке 590 м необходимо провести на участке плотины №25 на правом берегу. Участок плотины № 25 включает дорогу шириной 8 м, отметку 590 ~ 587,83 м, наклонную поверхность и каменный защитный слой толщиной 5 м наверху, простирающийся на 49 ° западной долготы с северной широты и площадью 857,8 м ². Расположение участка плотины №25 показано на рисунке 5.

4.2. Процесс затирки

Блок-схема процесса показана на Рисунке 6, а некоторые процессы на строительной площадке показаны на Рисунке 7. Процессы затирки с уплотнением перекрывающих пород показаны ниже:
(1) Резерв 5-метрового защитного слоя перекрывающих отложений: резерв 5-метрового защитного слоя от поверхности основания плотины для защитного слоя перекрывающих пород с использованием метода закрытия скважины и давления 0,5 МПа для циркуляционной цементации 5-метрового защитного слоя. Когда скорость нагнетания составляет не более 1,0 л / мин, можно пробурить отверстие ниже поверхности основания плотины (2) Закрытие отверстия, заливка цементным раствором сегментированной циркуляции сверху вниз: цементация уплотнения ниже основания плотины предусматривает сегментное бурение сверху вниз инъекция, закрытие отверстия, ступенчатое повышение давления и заливка жидким цементным раствором по всему сечению.Когда скорость закачки составляет не более 1,0 л / мин, заливку раствора можно завершить после 30 мин непрерывной закачки. (3) Свая анкерной штанги: принятая анкерная штанга состоит из 3 анкерных стержней диаметром 32 мм и одиночная длина 12 м, которая размещается на 20 см ниже поверхности цементного отверстия в фундаменте плотины (4) Выемка грунта и удаление тяжелого покрытия: на защитном покрытии скальной породы проводится желто-струйная очистка, а также выполняются механические выемки и взрывные работы, чтобы разрыхлить породу до плоскости фундамента (5) Неглубокая труба: следующие 5 м используются для цементирования поверхности фундамента плотины между бурильными трубами, от скважин І до III последовательности; используются трубы диаметром Φ 110 мм, цементирующая труба со стальной трубой Φ 38 мм и шламовая труба со стальной трубой Φ 25 мм (6) Обвяжите стальной стержень и залейте бетон на фундамент плотины (7) Заливка бетонного покрытия: давление затирки заливной трубы составляет 3.0 МПа, а скорость закачки не более 1,0 л / мин; затем можно закончить заливку раствора

Что касается технологии затирки уплотняющего раствора для создания бетонного покрытия, учитывая, что заливка раствором высокого давления приводит к поднятию пласта, растягивающему напряжению в бетоне и растрескиванию бетона, предлагается технология затвердевания перекрывающего слоя. . Во-первых, 5-метровый защитный слой горного массива создается закрытым раствором, который может улучшить давление цементного раствора в горном массиве ниже плоскости фундамента.Анкерные стержни используются для решения проблемы деформации коренных пород. После удаления защитного слоя данные мониторинга показывают, что диапазон релаксации при взрыве составляет 0,2 ~ 2,2 м, в среднем 1,09 м. Проблема релаксации поверхности решается за счет использования неглубокой грунтовочной трубы, своевременного создания бетонного покрытия и последующего заделывания цементным раствором трубы-грунтовки. Комплексно рассмотрены проблемы деформации коренных пород, релаксации поверхности, затирки уплотняющего раствора и натяжения бетонных конструкций.Завершение затирки уплотняющего раствора перед заливкой бетона обеспечивает условия для строительства заливки бетона, что позволяет избежать перекрестного вмешательства затирки уплотняющего раствора и бетонной конструкции, а также проблем, связанных с множественными входами и выходами оборудования для заливки уплотняющего раствора.

4.3. Slurry Transform

В скважинах I и II последовательности используется водоцементное соотношение (массовое соотношение) 2: 1 при первоначальной заливке цементным раствором, тогда как в скважине III последовательности используется соотношение воды и цемента (цемент влажного грунта) 3: 1. при первоначальной затирке.Раствор для затирки постепенно превращается из слабого в прочный. Это преобразование следует следующим принципам:
(1) Когда давление цементного раствора остается прежним, скорость закачки следует уменьшить; или при постоянной скорости нагнетания, когда давление продолжает расти, не изменять водоцементное соотношение (2) Когда количество впрыскиваемого раствора определенной марки превышает 300 л или время инфузии достигло 30 мин, и давление цементного раствора и скорость закачки не претерпевают значительных изменений, водоцементное соотношение первого сорта раствора следует изменить, чтобы получить более концентрированный раствор. (3) Когда скорость закачки превышает 30 л / мин, раствор может быть с утолщением в соответствии с конкретными условиями строительства

4.4. Давление затирки

Для затирки уплотняющего раствора используется метод сортировки и повышения давления для достижения расчетного давления затирки с использованием поэтапного подхода. Соотношение между скоростью нагнетания и давлением строго контролируется во время цементирования, чтобы не происходило опасного подъема поверхности породы из-за цементного раствора и бетона. Давление затирки защитного слоя составляет 0,5 МПа, а первого участка ниже плоскости фундамента — 0,8 ~ 1,0 МПа. Позже давление затирки постепенно увеличивается на 0.5 МПа на каждую секцию. Максимальное давление затирки составляет 3,0 МПа, давление затирки бетонной направляющей трубы составляет 3,0 МПа (см. Таблицу 6). Стандарт окончания затирки: операцию затирки можно считать завершенной, когда скорость закачки участка защитного слоя не превышает 1,0 л / мин при расчетном давлении. На участках под защитным слоем скорость закачки составляет не более 1,0 л / мин при расчетном давлении, и операция цементирования может быть завершена после 30 минут непрерывной закачки.

шлифование 905 15,3

3.3. Прочность на сжатие консолидированного раствора

Ранняя прочность на сжатие раствора в столбчатом базальте определяет способность цементного материала укреплять фундамент плотины, в то время как поздняя прочность уплотненного раствора отражает долгосрочную стабильность арматуры цементного раствора. Измеряли прочность цементного раствора мокрого грунта после 1 часа циркуляции при давлении 5 МПа и обычного цементного раствора при нормальном давлении. Сервопресс для бетона используется для проверки прочности на сжатие консолидированной суспензии размером 7 и 28 дней.Этот метод испытаний называется методом испытания на прочность цементного песка (метод ISO) (GB / T17671-1999). Из таблицы 5 можно сделать вывод, что прочность на сжатие консолидированного цементного раствора с влажным грунтом выше, чем у обычного цементного раствора того же возраста и при нормальном давлении, когда водоцементное соотношение такое же. Под высоким давлением прочность на сжатие консолидированного цементного раствора максимальна, когда водоцементное соотношение составляет 1: 1. Под высоким давлением прочность на сжатие цементного раствора влажного грунта выше, чем у обычного цементного раствора.Эти результаты показывают, что при высоком давлении характеристики цементного раствора лучше, чем при нормальном давлении, а характеристики цемента с влажным грунтом лучше, чем у обычного цемента.


W / C	0.5: 1	0,8: 1	1: 1	2: 1	3: 1
Скорость дренажа (%)
22,5	27,2	54,1	81,2
После шлифовки	1,2	18,4	21,8	50,1	79,8

905 905 905 905 905 905 905

66 мелкозернистый цемент 905 12,3


Свойство	Давление	Разновидность цемента	3: 1	2: 1	1: 1	0,8: 1
0,5: 1
0,5: 1
Прочность на сжатие, 7 дней (МПа)	Нормальный	Портландцемент	3.25	4,10	5,40	7,63	11,60
	Нормальный	Мелкодисперсный цемент влажного помола	4,21	7,3	12,3	14,5	15,4	70,8	73,5	75,5	66,2
	Мелкодисперсный цемент влажного помола	70,8	94,5	95,1	93,2	69.3

Прочность на сжатие 28 дней (МПа)	Нормальный	Портландцемент	11,3	15,1	15,9	16,8	22,6
	Нормальный	17,4	22,3	23,7	28,6
	Высокий	Портландцемент	83,4	99,6	102,2	101.6	86,5
	Высокий	Мелкодисперсный цемент влажного помола	105,8	108,7	111,6	109,7	95,3

4.5. Расположение отверстий для цементного раствора

Расстояние между отверстиями для цементирования уплотнения составляет и. Скважина перпендикулярна плоскости фундамента и проходит на 25 м ниже плоскости фундамента. Схема расположения отверстий для затирки уплотняющего раствора в перекрывающих породах показана на Рисунке 8.Включаются подъемный динамический контрольный ствол, испытательный ствол, ствол І, ствол II и ствол III. Апертура контрольного отверстия составляет Φ 76 мм; подъемное отверстие для наблюдения за динамической деформацией, Φ 91 мм. Поскольку для отверстий для цементации уплотнения требуются сваи анкерных стержней, диаметр отверстия для цементации уплотнения составляет Φ 110 мм. Заполнение трубки вводится через стальную трубу с диаметром головки Φ 38 мм, вспомогательным диаметром Φ 25 мм и толщиной стенки трубки 1.5 мм. Буровая установка QZJ-100B-J использовалась для просверливания цементного раствора. Все отверстия для затирки промывают водой под давлением 1 МПа для устранения трещин. В методе промывки используется открытая промывка, при которой смывается большое количество воды со дна отверстия в область вокруг отверстия, и промывка вращением. Условием завершения промывки бурения является то, что толщина остатков на дне отверстия не превышает 20 см после промывки, и промывка заканчивается, когда вода внутри отверстия становится чистой.

5. Результаты и обсуждение

5.1. Обсуждение количества и проницаемости затирки

Результаты затирки цементного раствора перекрывающих пород секции плотины № 25 на правом берегу показаны в Таблице 7. Испытание Lugeon не проводилось на 5-метровом защитном слое перекрывающих пород. В Таблице 7 показаны скважина І последовательности закачки цемента в 25-метровый слой коренной породы при 83,16 кг / м, закачка цемента в скважину II последовательности при 31,57 кг / м на единицу и закачка цемента в скважину III последовательности при 12.92 кг / м на единицу. Таким образом, скорость закачки из скважины последовательности І в скважину последовательности II снижается на 37%, в то время как количество цементного раствора из скважины последовательности II в скважину последовательности III уменьшается на 40,9%. Как показано на Рисунке 9, количество закачиваемого цемента на единицу значительно уменьшается, что соответствует правилу уменьшения количества цементного раствора на единицу, что указывает на то, что трещины эффективно заполняются и процесс затирки имеет хороший эффект. Тест Lugeon был проведен на отверстии для цементирования перед заливкой этого 25-метрового блока коренной породы.Данные в Таблице 8 показывают, что 25-метровый слой коренных пород в среднем имеет скорость проницаемости 23,24 LU в скважине І последовательности, среднюю скорость проницаемости 9,05 LU в скважине последовательности II и среднюю скорость проницаемости 3,84 LU в скважине последовательности III. и уменьшение количества затирки на 38,9% и 42,4% соответственно. Как показано на Рисунке 9, уменьшение удельной проницаемости от ствола І к стволу III также объясняет, что пустоты в породах были эффективно заполнены, блокируя поровые каналы просачивания породы и снижая скорость проницаемости.Постепенное уменьшение водопроницаемости и закачки цемента на единицу количества перед заливкой раствора указывает на то, что метод цементации цементного раствора перекрывающих пород подходит для цементирования столбчатого базальта.


Глубина отверстия (м)	-5 ~ 0	0 ~ 5	5 ~ 10	10 ~ 15	15 ~ 20		20 ~ 25
І (МПа)	0,5	0,8 ~ 1,0	1,0 ~ 1,5	1,5 ~ 2,0	2,0 ~ 2,5	2,5 ~ 3,0
II (МПа)	0,5	1,0 ~	1,5 ~ 2,0	2,0 ~ 2,5	2,5 ~ 3.0	2,5 ~ 3,0
III (МПа)	0,5	1,0 ~ 1,5	2,0 ~ 2,5	2,5 ~ 3,0	3,0	3,0

905 905 905 905 905 905 905 905 905

5555

III

905 905.5

1075 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905


Отверстие	Количество отверстий	Проникновение раствора (м)	Впрыск цемента (кг)	Единичный впрыск 66 66	L Средняя проницаемость (L)	Примечание

І	56	140.9	13799,2	97,94	/	5 м защитный слой
II	97	270,1	4204.9	15,57	/

/
/
/
0,55	/
Всего	193	538	18074,3	33,6	/
І	5961	83,16	23,24	25 м коренная порода
II	101	2525	79721,8		31,57	9,05
3,84
Итого	203	5075	216270,84		42,61	11,41

Диапазон скорости (м / с)

Средний минимум (м / с)

Средний максимум (м / с)

Средняя скорость (м / с)

Статистические точки

До

3333 ~ 5970

4528

5269

4980

2105

После

3448 ~ 6061

4889

5491

5345

1253

5.2. Обсуждение теста Lugeon

Тест Lugeon может напрямую отражать проницаемость пласта, которая является основой для оценки пласта на ранней стадии проекта цементирования. Согласно китайскому стандарту DL / T5148-2012 Lugeon test (Техническая спецификация на цементный раствор для строительства гидротехнических сооружений), испытательное давление составляет 80% от давления цементного раствора соответствующей секции и составляет не более 1,0 МПа. Формула расчета теста Lugeon приведена на
где — проницаемость рабочего участка, Лю; — напор, л / мин; — полное давление, действующее на рабочий участок, МПа; — длина испытательного участка, м.

Путем сравнения данных испытаний испытательной скважины перед заливкой цементным раствором и проверки качества значения Lugeon после заливки цементным раствором, получены параметры изменения проницаемости слоя породы фундамента плотины и оценен эффект цементирования. Перед заливкой цементным раствором были проведены испытания Lugeon на 17 контрольных отверстиях. Давление воды в 89 секциях было больше 4,5 LU в 69 секциях, а степень проницаемости более 3 LU составила 68,5% от всех испытательных скважин. Через 7 дней после окончания затирки были проведены испытание и осмотр Lugeon.Во время этого процесса для проведения теста Люджон произвольно пробурили 10 контрольных скважин глубиной 25 м (исключая 5-метровый защитный слой) и 5-метровую секцию, и в общей сложности было рассмотрено 50 секций с водой под давлением. После затирки были собраны результаты испытаний Lugeon, которые показаны на рисунках 10 и 11. Все 50 секций имеют значения Lugeon менее 3 LU, средняя проницаемость испытательной скважины G1-G5 составляет менее 1,5 LU, а средняя проницаемость контрольное отверстие G5-G6 меньше 1.2 LU. После заливки цементным раствором скорость проникновения испытательной секции водой под давлением во всех контрольных отверстиях не должна превышать 3 LU. Очевидно, что проницаемость снижается, а антисептический эффект значительно улучшается. Анализ эффектов показывает, что вес перекрывающих отложений толщиной 5 м может остановить трещинообразование и подъем поверхности основания, вызванные флюидом под высоким давлением. Давление цементного раствора очень важно для устойчивости пласта. Раствор низкого давления не может эффективно заполнить трещины в горных породах, и только раствор высокого давления может заполнить небольшие трещины.Вес перекрывающего слоя гидроизоляционного шлама толщиной 5 м может обеспечить эффективное усилие для удовлетворения необходимого давления цементного раствора, чтобы ограничить нарушение пласта. Трещины эффективно заполняются под высоким давлением, что приводит к снижению проницаемости и значительному улучшению антисептических и уплотняющих эффектов.

5.3. Обсуждение результатов геофизических изысканий

Акустические испытания являются основой для определения корреляции между физическими и механическими параметрами массива горных пород и обеспечивают эффективные индексы параметров для обнаружения влияния взрывных работ на горные породы; при этом испытании учитываются коэффициент выветривания, коэффициент целостности, коэффициент анизотропии, разломы, карстификация и другие геологические дефекты.Чем выше скорость волны, тем лучше физико-механические свойства и целостность породы. Оборудование для акустических испытаний, используемое в этом исследовании, представляет собой звуковой инструмент rs-st01c, произведенный компанией Wuhan Yanhai Engineering Development Co. Акустические испытания проводятся на контрольных отверстиях перед заливкой раствора и контрольных отверстиях после заливки раствором. Путем сравнения результатов испытаний до и после затирки получают параметры изменения целостности породы и анализируют качество затирки. Бурение смотрового отверстия под заливку проводится через 14 дней после завершения затирки.Волновая скорость свежей нетронутой породы является важным параметром для расчета коэффициента целостности и соотношения скоростей волн выветривания в массиве горных пород.

Согласно предыдущим статистическим данным акустических испытаний внутренних пород, средняя скорость волны брекчированной лавы составляет 4272 м / с, а диапазон для базальта — 5132 ~ 574 м / с. В таблице 8 показаны изменения скорости волны до и после заливки раствора. Таблица 8 показывает, что скорость волны в 17 испытательных скважинах до затирки раствора колеблется от 3333 м / с до 5970 м / с при средней скорости волны 4980 м / с.После заливки цементным раствором для акустических испытаний просверливаются 10 случайных контрольных отверстий с диапазоном скорости волны от 3448 м / с до 6061 м / с и средней скоростью волны 5345 м / с. Согласно средней скорости волны 4980 м / с до затирки и 5345 м / с после затирки, средняя скорость увеличения скорости волны после затирки составляет 7,3%. Более того, диапазон скоростей волны, средняя минимальная скорость и средняя максимальная скорость увеличиваются из-за цементации, что указывает на улучшение целостности породы.Согласно рисунку 12, до заливки раствором скорость волны составляет 79,9%, а скорость <4200 м / с составляет 8,2%. После затирки составило 94,8%, а <4200 м / с - 1,4%. Согласно нормативам акустического контроля скальной массы фундамента плотины, предусмотренным в проектной документации, более 90% столбчатого базальта должны иметь скорость более 4500 м / с, а менее 5% - менее 4200 м. / с после затирки, чтобы соответствовать стандарту проверки горной массы. Рисунок 12 показывает, что для начальной скорости более 5000 м / с коэффициент волновой скорости цементного раствора увеличился на 25.6%; для начальной скорости менее 5000 м / с волновая скорость степени заполнения упала примерно на 50%; а для начальной скорости менее 5000 м / с скорость волны уменьшилась после цементирования. Из-за заполнения трещин, трещин и зон разломов скорость волны увеличилась, показывая, что эффект цементирования очевиден.

Модуль деформации является важным параметром массива горных пород для анализа теории устойчивости и инженерного проектирования. В частности, при условии деформации в качестве стандарта контроля устойчивости определение модуля деформации напрямую определяет результаты анализа устойчивости к деформации.Дилатометр Probex-1 производства канадской компании Roctest используется для определения модуля деформации при входе в скважину. Дилатометр косвенно измеряет радиальную деформацию массива горных пород за счет гибкого повышения давления. Семь контрольных отверстий были испытаны для определения изменения модуля деформации перед заливкой цементным раствором, а 5 контрольных отверстий были испытаны после заливки раствором. Данные представлены в Таблице 9. Таблица 9 показывает, что средний модуль деформации до заливки раствором составляет 8,56 ГПа, а средний модуль деформации после заливки раствором равен 8.71 ГПа; средний модуль деформации после затирки на 1,7% выше. Как показано на Рисунке 13, коэффициент модуля деформации увеличился на 11,4% до 12 ГПа после цементирования, а отношения 8 и 10 ГПа снизились на 1,9% и 7,1% по сравнению с 6 ГПа, соответственно. Улучшение модуля деформации породы в основании плотины указывает на то, что величина сопротивления горной массы увеличивается, а деформация уменьшается, что косвенно указывает на улучшение физических свойств породы и улучшение механических свойств.Однако модуль деформации пласта после цементирования увеличился до 12 ГПа. Анализ показывает, что целостность породы относительно хорошая, поскольку данные модуля деформации перед заливкой раствора концентрируются в диапазоне 8 ~ 10 ГПа, поэтому увеличение модуля после заливки является относительно небольшим.

5.4. Обсуждение мониторинга подъема пласта

Значение мониторинга подъема является важным контрольным показателем, отражающим влияние цементного раствора на пласт во время строительства. На этой испытательной площадке расположены две подъемные смотровые скважины.Глубина отверстия 3 м больше, чем отверстие для затирки уплотняющего раствора, а его диаметр составляет Φ 91 мм. Измерительные приборы встроены для мониторинга, и они включают измерительную трубу ( Φ 25 мм) и внешнюю трубку ( Φ 73 мм). Нижний конец закрепляется в бетоне, локальный слой поднимается, внутренняя труба перемещается, и индикатор часового типа будет записывать данные. Запись данных мониторинга подъема вручную используется для мониторинга подъема, и показания записываются каждые 5 ~ 10 мин.Подъемная деформация контролируется и фиксируется во время затирки швов и уплотнения воды, допускается подъем коренных пород на высоту не более 200 м. При заливке швов величина подъемной деформации варьируется от 11 до 31 мкм м, что не превышает проектных требований ТУ. На Рис. 14 показан измеритель ручного контроля подъема, встроенный в поле.

5.5. Обсуждение керна породы и камеры для отверстий

После заливки цементным раствором керны берутся из 10 контрольных отверстий, некоторые из которых показаны на Рисунке 15.На Рисунке 15 показано, что трещины в горных породах эффективно заполняются консолидированной суспензией, а материалы для затирки плотно связаны с окружающими породами с очевидным явлением полной консолидации. Во время бурения не наблюдается обрушения, и собираются неповрежденные образцы керна длиной до 1,2 м, как показано на Рисунке 15.

Для получения изображений используется панорамный сканер JL-IDOI производства Wuhan Himalaya Digital Imaging Technology Co. контрольные отверстия, как показано на рисунках 16 и 17.На Рисунке 16 показана типичная структура трещин в некоторых испытательных отверстиях перед заливкой цементным раствором. На рис. 16 (д) видно, что некоторые трещины имеют ширину до 10 см. Некоторые породы также заполнены кварцем. Скала основания плотины содержит горизонтальную трещину, вертикальную трещину и зону разрушения. На Рисунке 17 показаны типичные примеры заполнения некоторых контрольных отверстий консолидированной суспензией после заливки цементным раствором. Рисунки 17 (a) и 17 (b) показывают, что как крутые наклонные трещины, так и отверстия заполняются эффективно, а заполнение консолидированной суспензией, а также микротрещины и разорванные зоны можно увидеть на рисунках 17 (c) –17 (f). .

6. Полевая заявка

6.1. План строительства

Заливка перекрывающих пород используется для цементации участков фундамента плотины №19 ~ №25 (ниже платформы 590 м), в то время как покрытие не используется для цементации уплотняющего раствора секции плотины №25 (выше платформы 590 м). ~ # 31. Метод заливки цементным раствором по-прежнему представляет собой цементный раствор для уплотнения перекрывающих пород, интервал между рядами скважин составляет и, а глубина входа в горную породу обычно составляет 15,00 ~ 30,00 м; участок застройки конструктивной плоскости и прилегающая территория занавесочной линии локально соответствующим образом заглублены.Процесс строительства: подъем контрольного отверстия → контрольное отверстие перед заливкой раствора → последовательное отверстие I → последовательное отверстие II → последовательное отверстие III → контрольное отверстие после заливки раствором. Общий процесс строительства участков плотины №19 ~ №25 показан на Рисунке 18. Станции производства и хранения навозной жижи расположены на стороне выше по потоку от основания плотины и соединены с полем цементации путем отвода трубопровода.

6.2. Количество закачиваемого цемента и водопроницаемость

Для определения количества закачки используется отметка основания плотины на правом берегу, на 590 м ниже цементного раствора для уплотнения перекрывающих пород.Последовательность затирки I ямы — 25915 м; Последовательность заливки II скважины — 50690 м; Последовательность затирки III ствола — 25045 м; Последовательность заполнения IV скважины (шифрование) цементной ямой составляет 49690 м. Средняя проницаемость отверстий для цементирования в каждой последовательности фундамента плотины и количество закачиваемого цемента на единицу показано на рисунках 19 и 20.

7. Выводы

Затирка цементного раствора перекрывающих пород решила характеристики легкого расслабления, прочности уменьшение и увеличение проницаемости столбчато-сочлененного базальта после разгрузки.Кроме того, цементное уплотнение перекрывающих пород улучшает целостность и непроницаемость породы фундамента плотины и имеет следующие преимущества:
(1) Затирка для уплотнения перекрывающих пород устраняет влияние столбчатого соединенного базальта, ограничивает релаксацию поверхностного слоя и усиливает изначально плохую целостность массива горных пород. Усиливается недостаточная несущая способность основания плотины, что вызвано деформацией. Затирка цементного раствора перекрывающего слоя через оставшийся 5-метровый защитный слой и сваю анкерных стержней после затирки снижает влияние столбчатых соединений в базальте.После выемки защитного слоя эффект релаксации столбчатой базальтовой поверхности снижается за счет цементации труб. Технология затирки подходит для геологических характеристик столбчатых базальтов. После строительства с цементным раствором проверка после цементации показывает, что эффект затирки соответствует требованиям несущей способности фундамента арочной плотины, обеспечивая успешную новую технологию затирки уплотняющего раствора (2). Эффект затвердевания перекрывающих пород является значительным.Всего имеется 10 контрольных лунок с 50 секциями, и все 49 секций теста Lugeon имеют размер менее 3 LU. После затирки предыдущий показатель испытательного участка с водой под давлением с более чем 99% контрольных отверстий составляет не более 3 LU. Средняя скорость волны до затирки составляет 4980 м / с, в то время как средняя скорость волны после затирки составляет 5345 м / с, а увеличение скорости волны из-за затирки составляет 7,3%. Средний модуль деформации перед затиркой составляет 8,56 ГПа, а средний модуль деформации после затирки — 9.9 ГПа. Средний модуль деформации после затирки на 13,5% выше. Значение контроля подъема колеблется от 11 до 31 μ м и не превышает проектный предел 200 μ м. Образцы керна извлечены целыми и имеют длину до 1,2 м. Кроме того, во время затирки уменьшается просачивание. По сравнению с цементным раствором уплотнения бетонного покрытия, этот новый подход может избежать неблагоприятных последствий повреждения при сверлении встроенного контрольного прибора и трубы охлаждающей воды и определить влияние подъема цементного раствора на качество бетона, поэтому он имеет хорошую применимость (3) Заливка цементным раствором перекрывающих пород решает проблему непрерывного строительства.После выемки верхней поверхности защитного слоя вскрыша с затиркой уплотнения имеет большую площадь организации строительного ресурса. Строительство завершается перед заливкой бетона, и строительные ресурсы находятся на месте одновременно. После затирки уплотняющего раствора, заливки цементным раствором (по мере необходимости) и строительства испытательной скважины требуется лишь небольшое количество ресурсов для неглубокого осмотра после выемки защитного слоя породы. По сравнению с затиркой цементного раствора для бетонного покрытия, потери строительных ресурсов исключаются, а эффективность строительства высока (4) Этот новый процесс применяется к участкам плотины №19 ~ №25 правого берега Байхетанской ГЭС. станции (ниже платформы 590 м).Успешное применение технологии строительства цементного раствора с уплотнением перекрывающих пород обеспечивает мощный эталон для большего количества проектов по цементированию уплотняющих плотин, что имеет большое значение для популяризации этого подхода

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, включены в статья.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

Благодарности

Это исследование было поддержано Национальным фондом естественных наук Китая (грант № 51279019). Авторы благодарны нашим партнерам Sinohydro Bureau 8 Co., Ltd. в Китае. Авторы также благодарны China Three Gorges Corporation. В этой статье суммируются результаты исследований и анализа столбчато-сочлененного базальта на Байхетанской арочной плотине за многие годы, что является мудростью всех компаний и учреждений, участвующих в этом проекте, включая проектирование, надзор за строительством и исследования, а также многие другие. эксперты и ученые как дома, так и за рубежом.Настоящим выражаем благодарность всем вовлеченным организациям и частным лицам.

Как образовалась башня — Национальный памятник Башня Дьявола (Служба национальных парков США)

Видимые сегодня слои осадочных пород дают нам ключ к разгадке древней среды, в которой они формировались. В этих породах обнаружены окаменелые останки морских растений, таких как морские лилии, и таких существ, как устрицы и белемниты.

НПС

Фундаменты зданий

Большая часть ландшафта вокруг Башни Дьявола сложена осадочными породами.Эти породы образуются в результате затвердевания минералов или органических материалов и обычно откладываются водой или ветром. Этот процесс, известный как осаждение, обычен в дельтах рек и прибрежных районах. Многие окаменелости обнаружены в осадочных породах, что дает нам подсказки о древних экосистемах.

Самые старые камни, видимые в Национальном памятнике «Башня Дьявола», были отложены в мелководном внутреннем море. Это море покрывало большую часть центральной и западной части Соединенных Штатов в триасовый период, от 225 до 195 миллионов лет назад.Вдоль реки Бель-Фурш можно увидеть темно-красный песчаник и темно-бордовый алевролит с прослоями сланца. Окисление богатых железом минералов вызывает красный цвет пород. Этот слой породы является формацией Spearfish.

Над формацией Spearfish находится формация Gypsum Springs. Поскольку вода, богатая минералами, испарялась, оставались отложения гипса. В юрский период (195–136 миллионов лет назад) моря периодически отступали и возвращались.

Прибрежные глинистые отложения в глубоководной морской среде превратились в серо-зеленые сланцы с прослоями песчаников, известняков и тонких пластов красных аргиллитов.Эти слои горных пород, называемые «Пачка бобров», являются частью формации Сандэнс — также юрского возраста.

Песчаники Hulett и пачки Lak, также являющиеся частью формации Sundance, представляют собой желтые мелкозернистые песчаники. Их происхождение восходит к песку, отложившемуся на древнем пляже, со многими выходами на поверхность с сохранившейся симметричной рябью. Устойчивые к атмосферным воздействиям, они образуют почти вертикальные скалы, окружающие саму Башню.

Моря отступили и продвинулись; формы рельефа развиты и размыты.Осадились новые отложения. Приблизительно 50-60 миллионов лет назад, в третичное время, тектоническое давление в западной части Северной Америки достигло апогея, подняв Скалистые горы и Черные холмы. В это время или вскоре после этого магма (расплавленная порода) поднялась к поверхности земли, вторгаясь в уже существующие слои осадочных пород.

Столбчатая структура — обзор

Структура и топография поверхности электроосажденного никеля

Поперечные сечения отложений Ватта и полублестящего никелевого покрытия имеют характерную столбчатую структуру при травлении в равных объемах азотной и уксусной кислоты, см. Рис.2.1 (а). Протравленные светлые отложения имеют одинаково характерную пластинчатую структуру, см. Рис. 2.1 (б). Для сравнения на рис. 2.3 представлены микрофотографии, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Структура отложения может служить полезным индикатором содержания в нем серы, фактора, который оказывает существенное влияние на его электрохимическое поведение. Обычно столбчатые структуры указывают на то, что отложения не содержат серы или, по крайней мере, имеют очень низкое содержание серы, в то время как пластинчатые структуры указывают на присутствие серы.Металлография — полезное средство исследования механизма коррозии композиционных покрытий из никеля и хрома; типы образующихся ямок проиллюстрированы в главе 10. Травление выявляет границу между столбчатыми и пластинчатыми отложениями и, таким образом, позволяет не только исследовать режим коррозии, но и позволяет определить толщину двух никелевых слоев в дуплексное покрытие.

Как показано в работе Beacom et al. ²⁸, разница между столбчатыми и полосатыми структурами может быть не такой четкой, как когда-то считалось.В столбчатых структурах и наоборот можно обнаружить несколько слоистых слоев, при условии, что используются подходящие реагенты для селективного травления. Структура, обнаруженная электролитическим травлением осадка Уоттса в растворе, содержащем 200 г / л нитрата аммония, показана на рис. 2.2. Структура полублестящих отложений, полученных из современных ванн, не содержащих кумарин, но альтернативного выравнивающего агента, который, вероятно, является ацетиленовым соединением, не имеет такой выраженной столбчатой структуры. Некоторые полосы обычно видны после обычного химического металлографического травления в азотной / уксусной кислотах.Влияние контуров поверхности подложки на характеристики травления отложений, нанесенных из раствора Уоттса, содержащего органические добавки, также было продемонстрировано Beacom et al. ²⁸ (рис. 2.12). Бреннер, Центнер и Дженнингс ²⁹ выполнили обширную программу, чтобы связать изменения в структуре с рабочими параметрами и составом ванны.

2.12. Никель, нанесенный на эталон шероховатости 0,5 мкм из ванны Уоттса, содержащей 2 г / л аллилсульфоната натрия и 0.004 г / л бромида N-аллилхинальдиния, а затем химически травлен.

(любезно предоставлено Beacon, Hardesty и Doty ²⁴)

Зернистую структуру никелевых отложений Уоттса можно четко выявить с помощью просвечивающей электронной микроскопии на тонкой фольге. На рисунке 2.5 показано влияние изменений плотности тока на размер зерен отложений, нанесенных из раствора, содержащего 300 г / л NiSO ₄ · 6H ₂ O, 28 г / л NaCl и 40 г / л H ₃ БО ₃. С увеличением плотности тока размер зерна не только уменьшается, но и становится менее однородным.При максимальной плотности тока (10 А / дм ²) образовывались очень крупные зерна. На рис. 2.5 также показаны проблемы, возникающие при иллюстрации типичной области покрытия, нанесенного при определенных условиях.

Электронные микрофотографии, показанные на рис. 2.5 (c) и (d), были взяты из соседних областей той же фольги. Электронная микроскопия однозначно показывает, что электроосажденный никель двойниковый и присутствуют дислокации. Традиционная ванна Ватта (300 г / л NiSO ₄ · 6H ₂ O, 36 г / л NiCl ₂ · 6H ₂ 0 и 40 г / л H ₃ BO ₃) производит осадок, который при 4 А / дм ² имеет менее однородный размер зерна, чем полученный из ванны Уоттса, содержащей эквивалентную концентрацию хлорид-иона, но присутствующий в форме хлорида натрия.Отложения, нанесенные из неочищенных растворов (соли «АналаР», растворенные в деионизированной воде), имеют структуру, аналогичную той, что наносится из очищенного раствора, за исключением того, что они более сильно двойниковые и содержат больше дислокаций. Вероятно, это связано с присутствием нескольких «чужеродных» атомов, включенных в решетку никеля. Просвечивающая электронная микроскопия тонких фольг, полученных из поперечных срезов электроосаждений, сопряжена со многими практическими проблемами. Толстый слой должен быть нанесен, но это занимает много часов, а приготовление тонкой фольги из этого покрытия даже сложнее, чем в случае массивных металлов.Полученные к настоящему времени результаты предоставляют мало новой информации по сравнению с той, которую можно получить с помощью описанной ранее быстрой техники, за исключением иллюстрации наличия столбчатых зерен в никеле Уоттса. Если место, из которого вырезан образец, можно определить точно, должно быть возможно проследить отклонение от эпитаксиального роста при увеличении толщины осадка.

Даже крупнозернистые электроосаждения имеют относительно небольшой размер зерна по сравнению с большинством массивных металлов, и для сравнения структура отожженного деформируемого никеля показана на рис.2.13. Наблюдалось перемещение дислокаций в деформированном материале во время исследования образца под микроскопом. В электроосажденном никеле движение дислокаций невозможно было обнаружить, пока фольга находилась в микроскопе. Это свидетельствует о закреплении дислокаций примесными атомами.

2.13. Просвечивающая электронная микрофотография отожженного деформируемого никеля ³⁷.

Несколько авторов опубликовали электронные микрофотографии, иллюстрирующие структуру и топографию поверхности электроосаждений, нанесенных из растворов никеля, содержащих органические добавки ⁸ ^, ³⁰ ^, ³⁴.Некоторые соединения приводят к очень мелкому размеру зерна даже при довольно низкой концентрации, а осаждения, нанесенные из коммерческих ванн с блестящим никелем, имеют настолько чрезвычайно малый размер зерна, что это не может быть удовлетворительно разрешено с помощью электронного микроскопа (рис. 2.7). Менее активные соединения не оказывают такого драматического воздействия на структуру. Например, кумарин, который в течение многих лет был самым известным соединением, добавляемым в ванну Уотта для получения полублестящего выровненного осадка, вызывает лишь небольшое уменьшение размера зерен, но плотность дислокаций значительно увеличивается, и границы зерен не могут быть четко видны. выделены (рис.2.6).

Электронограммы могут использоваться для предоставления определенного количества информации, даже если размер зерна слишком мал для разрешения. Полные кольца вместо отдельных пятен указывают на мелкий размер зерна. Дифрактограммы, характерные для ГЦК. Металлы получают из крупных зерен методом дифракции на выбранной площади (рис. 2.14). Дифракционные картины также указывают на возникновение двойникования и позволяют определить плоскость двойникования. В примере, показанном на рис.2.15, двойникование произошло на самолетах {111}, как это обычно бывает для f.c.c. металлы.

2.14. Электронограмма, полученная от крупного зерна в депозите Уоттса ⁸.

2.15. Электронограмма, полученная от двойниковой области в осадке Уоттса.

(по Деннису и Фугглу)

Crossley, Kendrick and Mitchell ³⁵ исследовали структуру отложений из растворов для никелирования «полностью хлоридом» и показали, что внешний вид и свойства можно изменить, используя источник прямоугольной волны в качестве источника Источник тока.В зависимости от характеристик источника тока структура полученных отложений может напоминать либо те, что получены путем гальваники из ванны Уоттса, либо те, которые содержат различные органические добавки.

Отложения сульфаматных растворов (600 г / л Ni (SO ₃ NH ₂) ₂ · 4H ₂ O, 15 г / л NiCl ₂ · 6H ₂ O и 40 г / l H ₃ BO ₃) Салим, Брук и Катбертсон ³⁶ показали, что они имеют структуру, аналогичную структурам месторождений Уоттс.Существовали многочисленные свидетельства двойникования, но размер зерна не зависел заметно от плотности тока в диапазоне от 8 до 60 А / дм ², и он составлял лишь четверть размера никелированного материала Watts при 4 А / дм ².

Было указано, что некоторые никелевые отложения демонстрируют предпочтительную ориентацию, но степень ее зависит от условий нанесения покрытия и конкретной используемой ванны. Ваттные отложения, нанесенные при плотности тока в пределах нормального рабочего диапазона (например,грамм. 4 A / дм ²) имеют ось волокна в направлении [100], но при низкой плотности тока было показано, что это направление [211] ³⁷. На ориентацию могут влиять органические или неорганические добавки к раствору для нанесения покрытия, но многие блестящие никелевые покрытия не имеют предпочтительной ориентации. Кумарин не оказывает слишком сильного влияния на физические свойства отложений из этой ванны, которые имеют ту же предпочтительную ориентацию, что и осадки из раствора никеля Уоттса без добавок.

Поверхность никеля Watts имеет тускло-матовый вид для невооруженного глаза, но при большом увеличении видно, что это происходит из-за образования пирамидальных образований (рис. 2.11). Блестящий финиш можно получить только на этом типе наплавки путем механической полировки, и это, конечно, был самый ранний метод получения декоративного никелевого покрытия. Электрополировка электроосажденного металла безуспешна, поскольку обычно приводит к питтингу, но в любом случае с экономической точки зрения нанесение достаточно дорогостоящего металла электроосаждением с последующим удалением значительной его части путем электроосаждения было бы расточительным процессом. процесс растворения, особенно когда доступны альтернативные методы нанесения блестящего покрытия прямо из ванны.Полусветлые отложения, как следует из названия, менее тусклые и матовые, чем отложения Уоттса, но не такие яркие или микроскопически гладкие, как полностью светлые отложения.

Электронная микрофотография, показанная на рис. 2.16, показывает, что пирамидальные наросты стали довольно округлыми в результате добавления выравнивающего агента, в данном случае кумарина, в раствор Уоттса. В случае полностью блестящего покрытия поверхность настолько гладкая, что грани и наросты поверхности не могут быть обнаружены даже при самом большом доступном увеличении.Единственные особенности, которые иногда можно обнаружить, — это несколько небольших ямок. В высококачественном наплавке они будут настолько малы, что не будут ухудшать внешний вид покрытия, так как они не будут видны невооруженным глазом. Точечная коррозия в залежах любого типа часто возникает из-за прилипания пузырьков газа к развивающейся поверхности; Газовые ямы можно узнать по их характерной форме (рис. 2.17). Этот тип дефекта можно предотвратить, используя адекватное перемешивание.

2.16. Электронная микрофотография (копия), показывающая влияние на топографию поверхности присутствия 0.1 г / л кумарина в растворе никеля Уоттса. Условия нанесения: 4 А / дм ², pH 4, 60 ° C, толщина покрытия 12,5 мкм на катаной подложке из мягкой стали ⁸.

2.17. Сканирующая электронная микрофотография газовой ямы на месторождении Уоттс.

Построение столбцового сжатия в строковой базе данных

Как мы достигли сжатия 91% -96% в последней версии TimescaleDB

Сегодня мы рады объявить о новой возможности сжатия для TimescaleDB, базы данных временных рядов на PostgreSQL. Эта новая функция, которая находится в частной бета-версии в течение нескольких месяцев, использует лучшие в своем классе алгоритмы сжатия вместе с новым методом для создания гибридного хранилища строк / столбцов. В течение периода бета-тестирования мы приглашали членов сообщества опробовать его и дать нам отзывы — и в результате теперь мы видим до 96% степени сжатия без потерь для различных реальных и смоделированных рабочих нагрузок временных рядов.

С этим выпуском объем хранилища TimescaleDB теперь соответствует заказным и более ограниченным хранилищам NoSQL — без ущерба для наших уникальных возможностей.TimescaleDB по-прежнему предлагает полный SQL, реляционные СОЕДИНЕНИЯ и функции, мощные возможности автоматизации, а также надежность и огромную экосистему, которая возникает благодаря использованию основы PostgreSQL. Мы знаем, что хранилище могло быть ограничивающим фактором для некоторых людей, интересовавшихся TimescaleDB в прошлом, но мы рекомендуем вам попробовать собственное сжатие и сообщить нам, что вы думаете.

TimescaleDB достигает такой степени сжатия за счет использования лучших в своем классе алгоритмов сжатия различных типов данных.Мы используем следующие алгоритмы (и позволим пользователям выбирать алгоритм в будущих выпусках):

Сжатие Gorilla для чисел с плавающей запятой
Дельта-дельта + Simple-8b со сжатием с кодированием длин серий для временных меток и других целочисленных значений. подобные типы
Сжатие целых строк словаря для столбцов с несколькими повторяющимися значениями (+ сжатие LZ сверху)
Сжатие массива на основе LZ для всех других типов

Мы расширили Gorilla и Simple-8b для обработки распакованных данных в обратном порядке, что позволяет ускорить запросы, использующие обратное сканирование.Дополнительные технические подробности см. В нашем PR по сжатию.

(Мы обнаружили, что это сжатие для конкретного типа довольно мощное: в дополнение к более высокой сжимаемости, некоторые из методов, таких как Gorilla и дельта-дельта, могут быть до 40 раз быстрее, чем сжатие на основе LZ во время декодирования, что приводит к большему улучшенная производительность запросов.)

Мы планируем в будущем предоставить расширенные алгоритмы для других собственных типов, таких как данные JSON, но даже сегодня, используя вышеупомянутые подходы, все типы данных PostgreSQL могут использоваться в собственном сжатии TimescaleDB.

Собственное сжатие (и TimescaleDB 1.5) сегодня широко доступно для загрузки по всем нашим каналам распространения, включая Timescale Cloud. Эта возможность выпущена под нашей лицензией Timescale Community (поэтому ее можно использовать совершенно бесплатно).

Строковые и столбцовые базы данных

Традиционно базы данных делятся на две категории: строчно-ориентированные и столбцовые (также известные как «столбцы»).

Вот пример. Допустим, у нас есть таблица, в которой хранятся следующие данные для 1 миллиона пользователей: user_id, name, # logins, last_login .Таким образом, у нас фактически есть 1 миллион строк и 4 столбца. Хранилище данных, ориентированное на строки, будет физически хранить данные каждого пользователя (т.е. каждую строку) непрерывно на диске. Напротив, колоночное хранилище будет хранить все идентификаторы user_id вместе, все имена вместе и так далее, так что данные каждого столбца хранятся на диске непрерывно.

В результате мелкие и широкие запросы будут выполняться быстрее в хранилище строк (например, «получить все данные для пользователя X»), в то время как глубокие и узкие запросы будут быстрее в хранилище столбцов (например.g., «вычислить среднее количество входов в систему для всех пользователей»).

В частности, столбчатые хранилища хорошо справляются с узкими запросами по очень широким данным. С таким хранилищем только обозначенные столбцы нужно читать с диска (вместо того, чтобы вводить страницы данных с диска со всеми строками, а затем выбирать один или несколько столбцов только в памяти).

Кроме того, поскольку отдельные столбцы данных обычно имеют один и тот же тип и часто берутся из более ограниченного домена или диапазона, они обычно сжимаются лучше, чем целая широкая строка данных, содержащая много разных типов данных и диапазонов.Например, наш столбец количества входов в систему будет целочисленного типа и может охватывать небольшой диапазон числовых значений.

Тем не менее, магазины с колоннами не обходятся без компромиссов. Во-первых, вставка занимает гораздо больше времени: системе необходимо разбить каждую запись на соответствующие столбцы и соответственно записать ее на диск. Во-вторых, для строковых хранилищ легче использовать индекс (например, B-дерево) для быстрого поиска подходящих записей. В-третьих, с помощью хранилища строк проще нормализовать набор данных, так что вы можете более эффективно хранить связанные наборы данных в других таблицах.

В результате выбор строковой или столбцовой базы данных во многом зависит от вашей рабочей нагрузки. Обычно строковые хранилища используются с транзакционными (OLTP) рабочими нагрузками, а столбчатые хранилища используются с аналитическими (OLAP) рабочими нагрузками.

Но рабочие нагрузки временных рядов уникальны.

Если вы раньше работали с данными временных рядов, то знаете, что рабочие нагрузки уникальны во многих отношениях: индивидуальный запрос обращается ко многим столбцам данных, а также к данным на разных устройствах / серверах / элементах.Например, « Что происходит в моем развертывании за последние K минут? ”

Запросы временных рядов также могут быть узкими и глубокими, когда отдельный запрос выбирает меньшее количество столбцов для определенного устройства / сервера / элемента за более длительный период времени. Например, « Какая средняя загрузка ЦП для этого сервера за последние 24 часа? ”

Рабочие нагрузки временных рядов обычно связаны с большим количеством вставок. Скорость вставки в сотни тысяч операций записи в секунду является нормальной.

Наборы данных временных рядов также очень детализированы, эффективно собирая данные с более высоким разрешением, чем OLTP или OLAP, что приводит к гораздо большим наборам данных. Терабайты данных временных рядов тоже вполне нормальны.

В результате, оптимальное хранилище временных рядов должно:

Поддерживать высокие скорости вставки, легко до сотен тысяч операций записи в секунду
Эффективно обрабатывать как мелкие и широкие, так и глубокие и узкие запросы в этом большом наборе данных
Эффективное хранение, т.е.е. сжать этот большой набор данных, чтобы он был управляемым и экономичным

Именно это мы сделали с последней версией TimescaleDB.

Сочетание лучшего из обоих миров

TimescaleDB спроектирован как база данных временных рядов, построенная на основе PostgreSQL. При этом он унаследовал все, что есть в PostgreSQL: полный SQL, огромную гибкость запросов и моделей данных, проверенную на практике надежность, активных и страстных разработчиков и пользователей, а также одну из крупнейших экосистем баз данных.

Но низкоуровневое хранилище TimescaleDB использует строковый формат хранения PostgreSQL, который добавляет небольшие накладные расходы на каждую строку и снижает сжимаемость, поскольку смежные значения данных бывают разных типов — строки, целые числа, числа с плавающей запятой и т. Д. — и являются взяты из разных диапазонов. Сама по себе PostgreSQL на сегодняшний день не предлагает никакого собственного сжатия (за исключением очень больших объектов, хранящихся на их собственных страницах с функцией TOAST, что неприменимо для большей части контента).

В качестве альтернативы, некоторые пользователи запускают TimescaleDB в сжатой файловой системе, такой как ZFS или BTRFS, для экономии места, часто в диапазоне 3x-9x.Но это приводит к некоторым проблемам развертывания, учитывая, что это внешняя зависимость, и на ее сжимаемость по-прежнему влияет строковый характер базовой базы данных (поскольку данные отображаются на дисковые страницы).

Теперь, с TimescaleDB 1.5, мы смогли объединить лучшее из обоих миров: (1) все преимущества PostgreSQL, включая производительность вставки и производительность мелких и широких запросов для последних данных из хранилища строк, в сочетании с (2) сжатием и дополнительной производительностью запросов — чтобы гарантировать, что мы только читаем сжатые столбцы, указанные в запросе — для глубоких и узких запросов столбчатого хранилища.

Вот результаты.

Результаты: 91-96% экономии хранилища (по результатам независимого бета-тестирования)

Перед выпуском мы попросили некоторых членов сообщества и существующих клиентов TimescaleDB провести бета-тестирование новых функций сжатия с некоторыми из их фактических наборов данных. как протестированное сжатие с наборами данных Time-Series Benchmarking Suite.

Ниже приведены результаты, которые включают тип рабочей нагрузки, общее количество несжатых байтов, сжатые байты (размер, который они видели после сжатия) и экономию на сжатии.И эта экономия связана только с кодированием без потерь для сжатия.


До / после заливки швов	Диапазон модуля деформации (ГПа)	Средний минимум (ГПа)	Средний максимум (ГПа)	Средний модуль деформации 66 (ГПа)	Статистический модуль

До	5.50 ~ 13,42	7,46	9,9	8,56	75
После	5,73 ~ 13,26	7,69	10,41	8,71

Рабочая нагрузка	Несжатый	сжатый	Экономия на хранении
ИТ-метрики (из бета-тестера Telco)	1396 ГБ	77.0 ГБ	94% экономия
Данные мониторинга промышленного Интернета вещей (из бета-тестера)	1.445 ГБ	0,077 ГБ	95% экономия
ИТ-метрики (набор данных DevOps из TSBS)	125 ГБ	5,5 ГБ	96% экономия
Данные мониторинга IoT (набор данных IoT из TSBS)	251 ГБ	23,8 ГБ	Экономия 91%

«Степень сжатия потрясающе высока :)» — Тамихиро Ли, сетевой инженер, Sakura Internet

Дополнительные результаты: экономия затрат и более быстрые запросы

Но такое сжатие не только академическое, оно дает два реальных преимущества:

Стоимость. Масштабное хранилище стоит дорого. Объем диска 10 ТБ в облаке стоит более 12 000 долларов США в год (из расчета 0,10 доллара США за ГБ в месяц для хранилища AWS EBS), а дополнительные реплики и резервные копии высокой доступности могут увеличить это число еще в 2–3 раза. Достижение 95% хранилища может сэкономить вам более 10–25 тысяч долларов в год только на затратах на хранение (например, 12 тысяч долларов / 10 ТБ * 10 ТБ на машину * 2 машины [одна главная и одна реплика] * 95% экономия = 22,8 тысячи долларов ).
Производительность запроса. Сжатие приводит к немедленному повышению производительности для многих типов запросов.Чем больше данных умещается в меньшем пространстве, тем меньше страниц диска (со сжатыми данными) необходимо читать, чтобы отвечать на запросы. (Краткий обзор результатов тестирования приведен ниже, а более подробное — в следующем посте.)

Следующие шаги

Встроенное сжатие сегодня широко доступно в TimescaleDB 1.5. Вы можете установить TimescaleDB или обновить текущее развертывание TimescaleDB. Если вы ищете полностью управляемый вариант с размещением, мы рекомендуем вам попробовать Timescale Cloud (мы предлагаем бесплатную 30-дневную пробную версию).

Мы также рекомендуем вам подписаться на наш предстоящий веб-семинар «Как снизить совокупную стоимость владения вашей базой данных с помощью TimescaleDB», чтобы узнать больше.

А теперь, если вы хотите узнать больше об интересных технических деталях — о создании столбчатого хранилища в строковых системах, индексировании и запросах сжатых данных, а также о некоторых тестах — продолжайте читать.

Благодарим за эти результаты некоторых из наших великих инженеров и менеджеров по менеджменту: Джоша Локермана, Гаятри Айяпан, Свена Клемма, Дэвида Кона, Анте Крешича, Мата Арье, Диану Хси и Боба Боула.(И да, мы нанимаем сотрудников по всему миру.)

Построение столбчатого хранилища на основе строковой системы

Признавая, что рабочие нагрузки временных рядов получают доступ к данным во временном порядке, наш высокоуровневый подход к созданию столбчатого хранилища состоит в том, широкие строки данных (скажем, 1000) в одну строку данных. Но теперь каждое поле (столбец) этой новой строки хранит упорядоченный набор данных, составляющий весь столбец из 1000 строк.

Итак, давайте рассмотрим упрощенный пример с использованием таблицы со следующей схемой:

Timestamp	ID устройства	Код состояния	Температура
12:00:01	A	0	70.11
12:00:01	B	0	69,70
12:00:02	A	0	70,12
12:00:02	B	0	69,69
12:00:03	A	0	70,14
12:00:03	B	4	69.70

После преобразования этих данных в одну строку данные в форме «массива»:

Отметка времени	ID устройства	Код состояния	Температура
[12:00:01, 12:00:01, 12:00:02, 12:00:02, 12:00:03, 12:00:03]	[A, B, A, B, A, B]	[0, 0, 0, 0, 0, 4]	[70.11, 69,70, 70,12, 69,69, 70,14, 69,70]

Даже до использования сжатия данных этот формат немедленно экономит память, значительно сокращая внутренние накладные расходы на каждую строку. PostgreSQL обычно добавляет ~ 27 байт служебных данных на строку (например, для управления версиями MVCC). Таким образом, даже без сжатия, если наша схема выше, скажем, 32 байта, то 1000 строк данных, которые раньше занимали [1000 * (32 + 27)] ~ = 59 килобайт, теперь занимает [1000 * 32 + 27] ~ = 32 килобайта в этом формате.

Но учитывая формат, в котором аналогичные данные (временные метки, идентификаторы устройств, показания температуры и т. Д.) Хранятся непрерывно, мы можем применять к ним алгоритмы сжатия, зависящие от типа, так что каждый массив сжимается отдельно.

Затем, если запрос запрашивает подмножество этих столбцов:

  SELECT time_bucket («1 минута», отметка времени) как минуты
AVG (температура)
ИЗ таблицы
WHERE timestamp> now () - интервал «1 день»
ЗАКАЗАТЬ ПО МИНУТУ УБЫТ
ГРУППА ПО минуте

Механизм запросов может извлекать (и распаковывать во время запроса) только столбцы метки времени и температуры для вычисления и возврата этого агрегирования.

Но учитывая, что формат хранения Postgres в стиле MVCC может записывать несколько строк на одной и той же странице диска, как мы можем гарантировать, что мы только получим желаемые сжатые массивы с диска, а не более широкий набор окружающих данных? Здесь мы используем не встроенные дисковые страницы для хранения этих сжатых массивов, т. Е. Они преобразуются в TOAST, так что данные в строке теперь указывают на страницу вторичного диска, на которой хранится сжатый массив (фактическая строка в основной таблице кучи становится очень маленькой. , потому что это просто указатели на TOASTED-данные).Таким образом, с диска загружаются только сжатые массивы для требуемых столбцов, что дополнительно повышает производительность запросов за счет сокращения дискового ввода-вывода. (Помните, что каждый массив может содержать от 100 до 1000 элементов данных, а не 6, как показано.)

Индексирование и запрос сжатых данных

Однако этот формат сам по себе имеет серьезную проблему: какие строки должны быть извлечены и распакованы из базы данных. чтобы разрешить запрос? В приведенной выше схеме база данных не может легко определить, какие строки содержат данные за прошедший день, поскольку сама метка времени находится в сжатом столбце.Нужно ли нам распаковывать все данные в блоке (или даже всю гипертаблицу), чтобы определить, какие строки соответствуют последнему дню? Точно так же пользовательские запросы обычно могут фильтровать или группировать по определенному устройству (например, SELECT temperature… WHERE device_id = ‘A’ ).

Распаковка всех данных была бы очень неэффективной. Но поскольку мы оптимизируем эту таблицу для запросов временных рядов, мы можем делать больше и автоматически включать больше информации в эту строку для повышения производительности запроса.

TimescaleDB делает это, автоматически создавая подсказки к данным и включая дополнительные группировки при преобразовании данных в этот столбчатый формат. При выполнении сжатия для несжатой гипертаблицы (либо с помощью определенной команды, либо с использованием асинхронной политики) пользователь указывает столбцы «упорядочить по» и, необязательно, «сегментировать по» столбцам. Столбцы ORDER BY указывают, как упорядочиваются строки, входящие в сжатый патч. Обычно это временная метка, как в нашем текущем примере, хотя она также может быть составной, например.г., ЗАКАЗАТЬ по времени, затем по местоположению.

Для каждого столбца «ORDER BY» TimescaleDB автоматически создает дополнительные столбцы, в которых хранятся минимальное и максимальное значение этого столбца. Таким образом, планировщик запросов может посмотреть на этот специальный столбец, который указывает диапазон временных меток в сжатом столбце — без предварительного выполнения какой-либо декомпрессии — чтобы определить, может ли строка соответствовать предикату времени, указанному в SQL-запросе пользователя. .

Мы также можем сегментировать сжатые строки по определенному столбцу, чтобы каждая сжатая строка соответствовала данным об одном элементе, например.g., конкретный device_id. В следующем примере TimescaleDB сегментирует по идентификатору device_id, так что для устройства A и B существуют отдельные сжатые строки, и каждая сжатая строка содержит данные из 1000 несжатых строк об этом устройстве.

ID устройства	Отметка времени	Код состояния	Температура	Мин. Отметка времени	Макс. Отметка времени
А	[12:00:01, 12:00:02, 12:00:03]	[0, 0, 0]	[70.11, 70,12, 70,14]	12:00:01	12:00:03
B	[12:00:01, 12:00:02, 12:00:03]	[0, 0, 0]	[70,11, 70,12, 70,14]	12:00:01	12:00:03

Теперь запрос для устройства «A» между временным интервалом выполняется довольно быстро: планировщик запросов может использовать индекс для поиска тех строк для «A», которые содержат по крайней мере некоторые временные метки, соответствующие указанному интервалу, и даже последовательное сканирование выполняется довольно быстро, поскольку оценка предикатов для идентификаторов устройств или минимальных / максимальных временных меток не требует декомпрессии.Затем исполнитель запроса распаковывает только столбцы метки времени и температуры, соответствующие этим выбранным строкам.

Эта возможность обеспечивается встроенной структурой планировщика заданий TimescaleDB. Ранее мы использовали его для различных задач управления жизненным циклом данных, таких как политики хранения данных, переупорядочивание данных и непрерывное агрегирование. Теперь мы используем его для асинхронного преобразования последних данных из несжатой строковой формы в эту сжатую столбчатую форму по фрагментам гипертаблиц TimescaleDB: как только фрагмент станет достаточно старым, фрагмент будет транзакционно преобразован из строки в столбчатую форму.

Производительность запроса

Краткая информация

На этом этапе возникает логичный вопрос: «Как сжатие влияет на производительность запроса?»

Мы обнаружили, что сжатие также приводит к немедленному повышению производительности для многих типов запросов. Чем больше данных помещается в меньшее пространство, тем меньше страниц диска (со сжатыми данными) необходимо читать, чтобы отвечать на запросы.

Учитывая объем этого сообщения, мы подробно рассмотрим производительность запросов в другом предстоящем сообщении в блоге, в том числе рассмотрим производительность для запросов, как касающихся диска, так и доступа к данным в памяти, а также для рабочих нагрузок DevOps и IoT.

А пока мы подумали, что дадим краткий обзор наших результатов.

Тесты производительности запросов

Мы используем пакет Time Series Benchmark Suite с открытым исходным кодом (TSBS) с TimescaleDB, работающий на облачных виртуальных машинах с удаленным хранилищем SSD (в частности, типы экземпляров Google Cloud n1-highmem-8 с 8vCPU и 52 ГБ памяти с использованием как локальный твердотельный накопитель NVMe, так и удаленный жесткий диск).

В этом наборе запросов мы уделяем особое внимание производительности с привязкой к диску, с которой часто сталкиваются при выполнении дополнительных специальных или случайных запросов к большим наборам данных; в некотором смысле эти результаты служат «худшим случаем» по сравнению с теплыми данными, которые уже могут быть кэшированы в памяти.Для этого мы обеспечили выполнение всех запросов к данным, находящимся на диске, чтобы подсистема виртуальной памяти ОС еще не кэшировала страницы диска в память.

Как видно из приведенной ниже таблицы (в которой приводится среднее значение 10 испытаний для двух экспериментальных установок, одна из которых использует локальный SSD, а другая — удаленный жесткий диск для хранения), практически все запросы TSBS выполняются быстрее с собственным сжатием.

Типы запросов	Локальный SSD			Удаленный жесткий диск
Холодные запросы (из TSBS)	Несжатый (мс / запрос)	Сжатый (мс / запрос)	Передаточное отношение	Несжатый (мс / запрос)	Сжатый (мс / запрос)	Передаточное отношение
процессор-макс-все-1	42.517	42,314	1,00	814.863	383,698	2,12
процессор-макс-все-8	46.657	40,342	1,16	2987,42	1779.795	1,68
группа по заказу по лимиту	1373.309	6065.812	0.23	95202.022	6178.808	15,41
высокий процессор-1	46.657	40,342	1,16	1033.286	482.911	2,14
высокий процессор — все	3551.953	8084.623	0,44	53995,25	8180.856	6,60
одногрупповоепо-1-1-12	49,546	38,46	1,29	1058.517	293,941	3,60
одногрупповоепо-1-1-1	33,54	25,695	1,31	286.307	234,785	1,22
одногрупповоепо-1-8-1	50.805	40,495	1,25	995.306	598,26	1,66
одногрупповоепо-5-1-12	49,406	42.013	1,18	1083.432	432,758	2,50
одногрупповое по-5-1-1	30,734	27,674	1.11	278,793	241,537	1,15
одногрупповое по-5-8-1	45,91	43.002	1,07	1000,578	627,39	1,59
двойная группа по-1	5925.591	1823.033	3,25	56676.155	1986.937	28,52
двойная группа by-5	7568.038	2980.089	2,54	62681,04	2915.941	21,50
двойная группа по всем	9286.914	4399.367	2,11	65202.448	4257.638	15,31
последняя точка	1674.194	264.666	6,33	37998.325	539,368	70,45

Таблица выше содержит задержку «холодных» запросов TSBS DevOps к TimescaleDB, когда все данные находятся на диске, как для несжатых, так и для сжатых данных. «Улучшение» определяется как «задержка несжатого запроса / задержка сжатого запроса».

При этом можно создавать запросы, которые медленнее работают со сжатыми данными.В частности, сжатие TimescaleDB в настоящее время ограничивает типы индексов, которые могут быть построены на сжатых данных; примечательно, что b-деревья могут быть построены только на сегментных столбцах. Но на практике мы обнаруживаем, что запросы, которые были бы быстрее с этими индексами, как правило, редки (например, они также требуют большого количества отдельных проиндексированных элементов, так что какой-либо один элемент не присутствует на большинстве страниц диска).

Ограничения и будущая работа

Первоначальный выпуск встроенного сжатия TimescaleDB является довольно мощным, с настраиваемыми расширенными алгоритмами сжатия для различных типов данных и реализуется через нашу среду непрерывного асинхронного планирования.Кроме того, у нас уже есть запланированные улучшения, например улучшенное сжатие данных JSON.

Одним из основных ограничений нашего первоначального выпуска в версии 1.5 является то, что после преобразования фрагментов в сжатую форму столбца мы в настоящее время не разрешаем любые дальнейшие модификации данных (например, вставки, обновления, удаления) без ручной декомпрессии. Другими словами, чанки неизменны в сжатом виде. Попытки изменить данные блоков будут либо ошибаться, либо завершаться беззвучно (по желанию пользователей).

Тем не менее, учитывая, что рабочие нагрузки временных рядов в основном вставляют (или реже обновляют) недавних данных , это гораздо меньше ограничение для временных рядов, чем для случая использования, не связанного с временными рядами. Кроме того, пользователи могут настроить возраст фрагментов до их преобразования в эту сжатую столбчатую форму, что обеспечивает гибкость для данных с умеренным нарушением порядка или во время запланированной обратной засыпки. Пользователи также могут явно распаковывать фрагменты перед их изменением. Мы также планируем ослабить / удалить это ограничение в будущих выпусках.

Сводка

Мы очень рады этой новой возможности и тому, как она принесет большую экономию средств, производительность запросов и масштабируемость хранилища для TimescaleDB и нашего сообщества.

Как мы упоминали выше, если вы хотите опробовать собственное сжатие сегодня, вы можете установить TimescaleDB или обновить текущее развертывание TimescaleDB. Если вы ищете полностью управляемый вариант с размещением, мы рекомендуем вам попробовать Timescale Cloud (мы предлагаем бесплатную 30-дневную пробную версию).Вы также можете подписаться на наш предстоящий веб-семинар «Как снизить общую стоимость владения базой данных с помощью TimescaleDB», чтобы узнать больше.

За последние пару месяцев мы анонсировали как горизонтально масштабируемую кластеризацию, так и собственное сжатие для TimescaleDB. Взятые вместе, они помогают реализовать наше видение TimescaleDB как мощной, производительной и экономичной платформы для данных временных рядов, от малых до очень больших, от периферии до облака.

Мы все неоднократно слышали заблуждение о том, что нужно пожертвовать SQL, реляционными возможностями, гибкостью запросов и моделей данных, а также непревзойденной надежностью и надежностью в базах данных временных рядов, чтобы достичь необходимого масштабирования, производительности и эффективности. .Точно так же все мы слышали скептицизм по поводу PostgreSQL: хотя PostgreSQL — потрясающая и надежная основа базы данных, она никак не может работать с данными временных рядов.

В TimescaleDB 1.5 мы продолжаем опровергать эти представления и демонстрировать, что за счет целенаправленного внимания и инженерных решений проблем с данными временных рядов не нужно идти на эти компромиссы.

Если у вас есть данные временных рядов, попробуйте последнюю версию TimescaleDB. Мы будем рады вашим отзывам.И вместе давайте создадим единственную базу данных временных рядов, которая не заставит вас идти на трудные компромиссы. Приходите, съешьте свой торт и съешьте его тоже.