При оценке надежности реконструируемых зданий и сооружений, прежде всего, не-обходимо решение задачи по выявлению и описанию условий работы составляющих их конструкций из материалов, свойства которых могут существенно меняться под влиянием воздействия изменившейся внешней среды. Типичным материалом такого рода являются грунты оснований сооружений.
В широком смысле грунтовое основание является важнейшим конструктивным эле-ментом, так как его разрушение или чрезмерная деформация чаще всего приводит к выходу из строя всего сооружения. Кроме того, грунты представляют собой сложные многофазные дис-персные системы, поэтому общеизвестны трудности, связанные с созданием моделей, достаточ-но точно описывающих их напряженно-деформированное состояние и пригодных для практиче-ских инженерных расчетов.
Целью исследования является оценка надежности реконструируемого здания после его надстройки для изменившихся грунтовых условий основания после поднятии уровня грунтовых вод и увеличения нагрузки на фундаменты и основания.
В задачу исследования входило по материалам обследования грунтов основания оценить, как изменились прочностные и деформационные характеристики грунта по срав-нению с проектными, проверить их прочность и эксплуатационную пригодность для рекон-струируемого здания и сделать вывод о причинах и различии в изменении свойств при уве-личении влажности грунтов основания.
2. Обзор и анализ научно-технической литературы.
В течение многих веков методы проектирования и строительства основывались поч-ти целиком на практическом опыте и эмпирических правилах.
В те времена все грунты обычно делились на два вида: «мало сжимаемые» или «плотные» и «сильно сжимаемые» или «слабые». У первых сопротивление нагрузке было достаточно высоким, чтобы соору-жения, стоящие на них, существовали благополучно, не испытывая сколько-нибудь за-метных деформаций.
Ко вторым относили грунты, на которых уже под небольшими давле-ниями происходили опасные по величине и неравномерности перемещения фундаментов, приводившие к значительным деформациям сооружений и даже к их разрушению.
Самыми прочными грунтами являются скальные горные породы, и, естественно, древние строители выбирали для тяжелых сооружений такие участки, на которых эти поро-ды выступали на поверхность или залегали неглубоко под ней.
Все сохранившиеся до на-шего времени крупные сооружения древности также были построены на прочных, в основ-ном скальных, грунтах.
Когда же приходилось строить на слабых грунтах, на последние укладывали сплошные слои маловлажного грунта, которые уплотняли по мере отсыпки ногами прогонявшихся вперед и назад стад скота, а поверх этой, так называемой, «подушки» устраивалось многослойное мо-щение из камня или высушенных на солнце обожженных кирпичей, связанных с помощью битума.
Однако подобное усиление слабых оснований нередко оказывалось недостаточным, и тяжелые здания разрушались из-за больших неравномерных осадок.
Фундаменты мостов при неглубокой воде устраивались в виде опиравшихся прямо на дно отсыпок из крупного камня или корзин с мелким камнем.
Естественно, что мосты на таких опорах существовали недолго — до первого сколько-нибудь серьезного паводка. Поэтому строители предпочитали устраивать временные плавучие мосты — переправы.
В лесистых районах издавна стали укреплять слабые основания деревянными столба-ми-сваями, которые забивали в грунт на близком расстоянии друг от друга. Особенно глубоко сваи забивать тогда не могли, и если они не доходили до прочного грунта, избежать осадок не удавалось.
Римляне начали первыми опирать мосты на сваи, однако им не всегда удавалось за-бить их на глубину, надежно предохранявшую от подмыва. Параллельно со свайными фундамен-тами развивались и совершенствовались массивные конструкции фундаментов глубокого зало-жения и технологические методы их устройства.
Так как эти фундаменты доводили до прочных мало сжимаемых грунтов, то проблема расчета осадок и устойчивости их оснований не возникала.
Частые случаи деформаций и повреждений зданий и сооружений, основанных на не-скальных грунтах, побуждали к поискам более эффективных методов обеспечения их долговеч-ности и надежности.
Сначала строители пришли к выводу, что размеры фундаментов и нагрузки на них должны определяться в зависимости от прочности грунтов основания, полагая, что зна-чительные осадки, представляющие опасность для сооружения, являются результатом наруше-ния прочности грунтов. На основе опыта строительства и наблюдений за поведением сооруже-ний в большинстве стран были составлены таблицы так называемых «допускаемых давлений» на основания, сложенные различными грунтами.
Еще в конце XVIII в. прочность грунтов стали рассматривать как их сопротивление сдвигу. На этой основе Ш. Кулон в 1773 г. разработал способ расчета давления сползающего грунта на подпирающую его стенку.
Затем основные положения расчета были использованы для определения сопротивления оснований разрушению при действии нагрузки от сооружения и для расчета устойчивости откосов и склонов.
Однако уже в первой половине XIX в. было установлено, что еще до наступления разру-шения основание испытывает осадки за счет уплотнения грунта под давлением сооружения.
Во второй половине XIX в. была решена задача о распределении напряжений в основании, рас-сматриваемом как упругий сплошной массив. В первой четверти XX в. К. Терцаги предложил метод расчета осадок вследствие уплотнения грунта и скорости их протекания.
На базе этих ис-следований в 30-х годах XX в. создана наука Механика грунтов, включающая в себя расчет-но-теоретические основы фундаментостроения.
Большое значение в формировании и развитии российской школы фундаментострое-ния имели выдающиеся работы Н.М. Герсеванова, Н.П.
Пузыревского по совершенствованию конструкций фундаментов и оснований и методов их расчета; исследования Н.Н. Маслова по развитию инженерной геологии и механики грунтов в приложении к строительству крупных гидротехнических сооружений; исследования по строительству инженерных сооружений в сложных геологических условиях: на вечной мерзлоте (М.И.
Сумгин, Н.А. Цытович), на просадочных грунтах (Ю.М. Абелев, Н.Я.
Денисов, Н.Н.Фролов и др.), в сейсмических районах (К.С. Завриев, Е.Ф. Саваренский), на мощных толщах водонасыщенных слабых или-стых грунтов (Б.Д. Васильев, Н.Н. Маслов).
Освоению российскими инженерами методов ме-ханики грунтов особенно содействовали монографии Н.М. Герсеванова «Основы динамики грунтовой массы» (1937 г.) и учебники по механике грунтов Н.А. Цытовича (1934 г.), Н.Н. Иванова, В.В. Охотина и др.
В 30-ые годы в СССР был организован единственный тогда в мире Научно-исследовательский институт оснований и фундаментов, которому присвоено имя его создателя — Н.М. Герсеванова, руководившего разработкой первой официальной инструкции по испыта-ниям грунтов (1933 г.) и первых отечественных норм и технических условий на проектирование оснований сооружений (1938г.).
Научно-исследовательские грунтовые лаборатории, созданные тогда же практически во всех крупных научно-исследовательских и учебных институтах строи-тельного, гидротехнического и транспортного профилей, также внесли существенный вклад в развитие механики грунтов.
Грунты — это любые горные породы и почвы, которые изучаются как многокомпонент-ные системы, изменяющиеся во времени, с целью познания их как объекта инженерной дея-тельности человека.
Основным положением грунтоведения является положение о зависимости физико-механических свойств грунтов от их состава, структуры, текстуры и состояния (прежде всего от плотности — влажности). Прочные минеральные частицы, или агрегаты, и связанная с минералами вода образуют его основную часть — скелет.
Свободная вода и газы заполняют по-ровое пространство. Связи между минеральными частицами скелета, процентное содержание частиц разных размеров, пористость и вещественный (минеральный) состав материала частиц являются классификационными характеристиками грунтов.
В скальных и полускальных грунтах прочность связей соизмерима с прочностью минеральных зерен, а пористость чаще всего незна-чительна. В несвязных (сыпучих) грунтах, сложенных сравнительно крупными (различимыми невооруженным глазом) минеральными частицами, пористость значительна.
Наиболее сложными и изменчивыми свойствами обладают связные грунты, состоящие в основном из мельчайших частиц, соединенных в агрегаты, невидимые невооруженным глазом. Агрегаты соединены между собой эластичными водно-коллоидными или жесткими кристалли-зационными скелетными связями.
Прочность их незначительна, несоизмерима с прочностью минеральных частиц скелета. Процентное содержание минеральных частиц разных размеров (гранулометрический состав) определяет классификацию отдельных грунтов, отнесенных к классам связных и несвязных (глины, суглинки, супеси, мелко- и крупнозернистые пески и т. д.).
Особенностью пористых, связных и сыпучих, грунтов является их способность изменять плотность при сжатии, что сближает их с газами. Однако в отличие от газов у грунтов объемная деформация лишь частично обратима.
Величина объемной деформации и ее необратимой составляющей зависит не только от нагрузки, но и от длительности воздействия. В зависимости от длительности действия нагрузки может иметь место одна из двух форм протекания уплотнения — консолидация или динамиче-ское сжатие.
В обоих случаях необратимая объемная деформация происходит за счет уменьше-ния объема порового пространства и сопровождается переукладкой минеральных зерен скелета, разрушением структурных связей и образованием новых.
При консолидации уменьшение порового пространства сопровождается вытеснением из него воды и газов.
Величина деформации и скорость процесса зависят не только от нагрузки и прочности скелетных связей, но и от водопроницаемости, определяемой гранулометрическим составом грунта. При этом влажность грунта уменьшается.
Прочность структурных связей в связных грунтах, от которых зависит протекание де-формации формоизменения и объемной деформации (обеих ее форм), может в десятки и даже сотни раз снижаться или возрастать с изменением влажности. Это определяется растворением солей, образующих жесткие кристаллизационные скелетные связи, и изменением толщины пле-нок водно-коллоидных связей.
Дискретность строения грунтов и физико-механические характеристики их составных частей (фаз) определяют закономерности проявления физико-механических свойств грунта в целом.
3.Основные понятия и определения. Факторы, определяющие надежность.
Под основанием сооружения понимается массив грунта, деформирующийся от уси-лий, передаваемых на него фундаментами. Отсюда следует, что надежность оснований со-оружений нельзя рассматривать в отрыве от находящихся на них фундаментов и надзем-ных конструкций сооружений.
Основание предназначено для восприятия нагрузок и других воздействий через фундаменты от надземной части сооружения, и возведение его самого по себе без сооружения и фундаментов лишено практического смысла. Поэтому под надежно-стью основания сооружения следует понимать, в сущности, надежность одного из элемен-тов системы основание — фундамент — надземная часть сооружения.
При отсутствии обес-печенной надежности основания вся система является также ненадежной. Более того, нена-дежность основания вызывает, как правило, появление таких деформаций и напряжений в фундаментах и надземных конструкциях сооружения, при которых они становятся нена-дежными даже в том случае, если их надежность сама по себе (без учета влияния основа-ния) и была обеспечена.
В то же время ненадежность фундаментов и надземных конструк-ций сооружения не оказывает обычно прямого влияния на надежность основания, если по-следняя была обеспечена в процессе проектирования с учетом всей совокупности дейст-вующих на нее нагрузок и других факторов.
Таким образом, обеспечение надежности работы основания следует рассматривать как способ обеспечения надежной работы всей системы основание — фундамент — надзем-ная часть сооружения.
При этом критерий надежности двух элементов системы (фундамент — надземная часть сооружения) является главным критерием, удовлетворение которого обусловливает обеспечение надежности основания и всей системы в целом. Надежность ос-нования — это его способность воспринимать всю совокупность внешних воздействий (на-грузки, природно-климатические и технологические факторы) в течение заданного срока с обеспечением нормальной эксплуатации сооружения в целом и размещенного в нем обо-рудования.
Основными факторами, определяющими в общем случае надежность оснований соору-жений, являются:
— соответствие принятых схемы и метода расчета основания действительным ус-ловиям его работы в каждом конкретном случае;
— достоверность описания инженерно-геологических условий строительства соору-жения, получаемого в процессе полевых изысканий и обследований;
— достоверность исходных материалов о физико-механических характеристиках грунтов оснований, получаемых на основе полевых и лабораторных методов их испытания с учетом происхождения грунтов, условий их естественного залегания, структуры и сложе-ния, а также возможности их изменения в процессе эксплуатации здания или сооружения, построенного на грунтах основания;
— достоверность материалов о нагрузках и воздействиях, которым подвергаются ос-нования сооружений при их эксплуатации;
— правильность реализации проектных решений в процессе строительства, обеспе-чиваемая средствами контроля за качеством и предусмотренной технологией производства работ.
Количественное описание большей части из перечисленных факторов во всей слож-ности их взаимодействия во время фактической работы оснований сооружений должно производиться с учетом изменчивости как строительных свойств грунтов оснований, так и нагрузок и воздействий, которым они подвергаются через фундаменты от надземных кон-струкций.
По указанной причине изучение закономерностей изменчивости физико-механических показателей свойств грунтов, равно как нагрузок и воздействий, является важной предпосылкой и основой обеспечения надежности оснований сооружений.
Чем выше качество исходных данных, тем с большей достоверностью проектная надеж-ность основания сооружений приближается к эксплуатационной.
В идеальном случае, при пол-ной адекватности содержания проектных расчетов действительным условиям работы основа-ний, проектный уровень надежности совпадает с эксплуатационным. Стремлением к этому от-мечены все поиски на пути усовершенствования как расчетных схем, так и методов получения исходных данных о показателях свойств грунтов оснований, нагрузках и воздействиях, выте-кающих, как правило, из содержания принимаемых расчетных схем и находящихся в тесном соответствии с ними.
Понятие расчетной схемы системы «основание — фундамент-сооружение» включает в себя и совокупность всех исходных данных о грунтах, нагрузках и воз-действиях, необходимых для ее использования в процессе проектирования.
Важным аспектом обеспечения надежности основания является учет в расчетной схеме возможности изменения свойств грунтов в процессе эксплуатации сооружения в результате длительности воздействия эксплуатационных нагрузок, а также с изменением влажности.
4. Лабораторные исследования изменения свойств грунтов при повышении УГВ.
Для понятия природы и характера изменения деформационных и прочностных ха-рактеристик грунта при увлажнении из-за повышения УГВ нами были проделаны ком-прессионные и сдвиговые испытания суглинка.
Нами были приготовлены образцы туго-пластичного суглинка, имеющего проектные влажность W = 12 %, плотность частиц s = 2,7 г/см3 и коэффициент пористости е = 0,6.
Образцы изготавливались путем приготовления пасты из суглинистого порошка, имеющего влажность на пределе пластичности Wp = 19 % и влажность на пределе текуче-сти WL = 31 %. Для этого из измельченного и просеянного через сито 0,01 мм воздушно-сухого грунта массой 50 г с добавлением необходимого количества воды приготовили пасту.
Величину влажности на пределе раскатывания и текучести определяем по формуле:
Wp,L = (mвс + mw — md) / md , где mвс — масса пробы воздушно-сухого грунта; mw — масса долитой к грунту воды; md — масса скелета грунта.
Для получения образца суглинка с заданным проектным коэффициентом пористо-сти е = 0,6 и влажности W=12%, определили массу грунта следующим образом:
ms = d * Vгр , где Vгр — объем грунта в кольце, имеющего объем равный 120 см3 ;
d — плотность сухого грунта, d = гр / ( 1 + W) = 1,89 / (1 + 0,12) = 1,69 т/м3;
ms = 1,69 * 120 = 202,8 г.
Затем образцы грунта замачивались до влажности W=27 %, которая соответствует полному водонасыщению грунта при поднятии УГВ.
При увеличении влажности измени-лись физические характеристики грунта. Сравнение изменившихся физических показате-лей после увлажнения с их проектными показателями показаны в таблице №1.
Таблица №1
Сравнение физических характеристик глинистого грунта
| Плотность, т/м3 | Влажность, W, % | Плотность сухого грунта,rd,т/м3 | |||
| проектная | существ | проектная | существ | проектная | существ |
| 1.89 | 1.86 | 12.0 | 27.4 | 1.69 | 1.46 |
Далее образцы, имитирующие грунты проектной влажности и пористости верхне-го слоя и с изменившейся влажностью и пористостью после увлажнения грунта при под-нятии уровня грунтовых вод под реконструируемым жилым домом, испытывали в одо-метре и в сдвиговом приборе.
Полученные результаты представлены в таблицах № 2 и 3.
Таблица №2
Компрессионные испытания грунтов
|
Вертикальное давление Р, МПа |
При природной влажности | При увлажнении грунта | ||
| Коэфф.пористости е | Модуль деформации Е, МПа | Коэфф.пористости е | Модуль деформации Е, МПа | |
| 0.00 | 0.6 | 16 | 0.846 | 10.25 |
| 0.05 | 0.595 | 0.837 | ||
| 20 | 11.54 | |||
| 0.10 | 0.591 | 0.829 | ||
| 22.8 | 13.2 | |||
| 0.20 | 0.584 | 0.815 | ||
| 26.6 | 16.8 | |||
| 0.30 | 0.578 | 0.804 |
Таблица №3
Сдвиговые испытания грунтов
|
Условие сдвига |
Вертикальная нагрузка, Р,МПа |
Сдвигающее усилие, Т, МПа |
Касат. напряжение, т,МПа |
Угол внутреннего трения, |
Удельное сцепление с, МПа |
| С природной влажностью |
0.10 0.20 0.30 |
0.072 0.110 0.142 |
0.350 |
22 |
0.038 |
| При замачивании водой |
0.10 0.20 0.30 |
0.055 0.085 0.120 |
0.325 |
19 |
0.025 |
Анализируя полученные результаты, можно сделать выводы, что физико-механические характеристики грунта при его увлажнении существенно изменяются, а также значительно уменьшаются его прочностные и деформационные характеристики.
При изменившихся характеристиках грунта несущая способность основания уменьшает-ся, что необходимо учитывать при реконструкции фундаментов, так как при этом увеличивается и нагрузка на них.
Юрченко С.Г., профессор кафедры
«Основания и фундаменты» МГУП,
Компания B2Building