При оценке надежности реконструируемых построек и сооружений, сначала, не-обходимо решение задачки по выявлению и описанию критерий работы составляющих их конструкций из материалов, характеристики которых могут значительно изменяться под воздействием воздействия изменившейся наружной среды. Обычным материалом такового рода являются грунты оснований сооружений.
В широком смысле грунтовое основание является важным конструктивным эле-ментом, потому что его разрушение либо чрезмерная деформация в большинстве случаев приводит к выходу из строя всего сооружения. Не считая того, грунты представляют собой сложные многофазные дис-персные системы, потому общеизвестны трудности, связанные с созданием моделей, достаточ-но точно описывающих их напряженно-деформированное состояние и применимых для практиче-ских инженерных расчетов.
Целью исследования является оценка надежности реконструируемого строения после его надстройки для изменившихся грунтовых критерий основания после поднятии уровня грунтовых вод и роста нагрузки на фундаменты и основания.
В задачку исследования входило по материалам обследования грунтов основания оценить, как поменялись прочностные и деформационные свойства грунта по срав-нению с проектными, проверить их крепкость и эксплуатационную пригодность для рекон-струируемого строения и прийти к выводу о причинах и различии в изменении параметров при уве-личении влажности грунтов основания.
2. Обзор и анализ научно-технической литературы.
В течение многих веков способы проектирования и строительства основывались поч-ти полностью на практическом опыте и эмпирических правилах. В те времена все грунты обычно делились на два вида: "не достаточно сжимаемые" либо "плотные" и "очень сжимаемые" либо "слабенькие". У первых сопротивление нагрузке было довольно высочайшим, чтоб соору-жения, стоящие на их, существовали благополучно, не испытывая сколько-либо за-метных деформаций. Ко вторым относили грунты, на которых уже под маленькими давле-ниями происходили небезопасные по величине и неравномерности перемещения фундаментов, приводившие к значимым деформациям сооружений и даже к их разрушению.
Самыми крепкими грунтами являются скальные горные породы, и, естественно, древнейшие строители выбирали для томных сооружений такие участки, на которых эти поро-ды выступали на поверхность либо залегали неглубоко под ней. Все сохранившиеся до на-шего времени большие сооружения древности также были построены на крепких, в основ-ном скальных, грунтах.
Когда же приходилось строить на слабеньких грунтах, на последние укладывали сплошные слои маловлажного грунта, которые уплотняли по мере отсыпки ногами прогонявшихся вперед и вспять стад скота, а поверх этой, так именуемой, "подушки" устраивалось мультислойное мо-щение из камня либо высушенных на солнце обожженных кирпичей, связанных при помощи битума. Но схожее усиление слабеньких оснований часто оказывалось недостающим, и томные строения разрушались из-за огромных неравномерных осадок.
Фундаменты мостов при неглубокой воде устраивались в виде опиравшихся прямо на дно отсыпок из большого камня либо корзин с маленьким камнем. Естественно, что мосты на таких опорах существовали недолго - до первого сколько-либо сурового паводка. Потому строители предпочитали устраивать временные плавучие мосты - переправы.
В лесистых районах давно стали крепить слабенькие основания древесными столба-ми-сваями, которые забивали в грунт на близком расстоянии друг от друга. В особенности глубоко сваи забивать тогда не могли, и если они не доходили до крепкого грунта, избежать осадок не удавалось. Римляне начали первыми опирать мосты на сваи, но им не всегда удавалось за-бить их на глубину, накрепко предохранявшую от подмыва. Параллельно со свайными фундамен-тами развивались и совершенствовались мощные конструкции фундаментов глубочайшего зало-жения и технологические способы их устройства. Потому что эти фундаменты доводили до крепких не достаточно сжимаемых грунтов, то неувязка расчета осадок и стойкости их оснований не появлялась.
Нередкие случаи деформаций и повреждений построек и сооружений, основанных на не-скальных грунтах, вдохновляли к поискам более действенных способов обеспечения их долговеч-ности и надежности. Поначалу строители сделали вывод, что размеры фундаментов и нагрузки на их должны определяться зависимо от прочности грунтов основания, полагая, что зна-чительные осадки, представляющие опасность для сооружения, являются результатом наруше-ния прочности грунтов. На базе опыта строительства и наблюдений за поведением сооруже-ний в большинстве государств были составлены таблицы так именуемых "допускаемых давлений" на основания, сложенные разными грунтами.
Еще в конце XVIII в. крепкость грунтов стали рассматривать как их сопротивление сдвигу. На этой базе Ш. Кулон в 1773 г. разработал метод расчета давления сползающего грунта на подпирающую его стену. Потом главные положения расчета были применены для определения сопротивления оснований разрушению при действии нагрузки от сооружения и для расчета стойкости откосов и склонов.
Но уже в первой половине XIX в. было установлено, что еще до пришествия разру-шения основание испытывает осадки за счет уплотнения грунта под давлением сооружения. Во 2-ой половине XIX в. была решена задачка о рассредотачивании напряжений в основании, рас-сматриваемом как гибкий сплошной массив. В первой четверти XX в. К. Терцаги предложил способ расчета осадок вследствие уплотнения грунта и скорости их протекания. На базе этих ис-следований в 30-х годах XX в. сотворена наука Механика грунтов, включающая в себя расчет-но-теоретические базы фундаментостроения.
Огромное значение в формировании и развитии русской школы фундаментострое-ния имели выдающиеся работы Н.М. Герсеванова, Н.П. Пузыревского по совершенствованию конструкций фундаментов и оснований и способов их расчета; исследования Н.Н. Маслова по развитию инженерной геологии и механики грунтов в приложении к строительству больших гидротехнических сооружений; исследования по строительству инженерных сооружений в сложных геологических критериях: на нескончаемой 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 массивных толщах водонасыщенных слабеньких или-стых грунтов (Б.Д. Васильев, Н.Н. Маслов). Освоению русскими инженерами способов ме-ханики грунтов в особенности способствовали монографии Н.М. Герсеванова "Базы 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, управляющего разработкой первой официальной аннотации по испыта-ниям грунтов (1933 г.) и первых российских норм и технических критерий на проектирование оснований сооружений (1938г.). Научно-исследовательские грунтовые лаборатории, сделанные тогда же фактически во всех больших научно-исследовательских и учебных институтах строи-тельного, гидротехнического и транспортного профилей, также занесли значимый вклад в развитие механики грунтов.
Грунты - это любые горные породы и земли, которые изучаются как многокомпонент-ные системы, изменяющиеся во времени, с целью зания их как объекта инженерной дея-тельности человека. Главным положением грунтоведения является положение о зависимости физико-механических параметров грунтов от их состава, структуры, текстуры и состояния (сначала от плотности - влажности). Крепкие минеральные частички, либо агрегаты, и связанная с минералами вода образуют его основную часть - скелет. Свободная вода и газы заполняют по-ровое место. Связи меж минеральными частичками скелета, процентное содержание частиц различных размеров, пористость и вещественный (минеральный) состав материала частиц являются классификационными чертами грунтов. В скальных и полускальных грунтах крепкость связей соизмерима с прочностью минеральных зернышек, а пористость в большинстве случаев незна-чительна. В бессвязных (сыпучих) грунтах, сложенных сравнимо большими (различимыми невооруженным глазом) минеральными частичками, пористость значительна.
Более сложными и изменчивыми качествами владеют связные грунты, состоящие в главном из мелких частиц, соединенных в агрегаты, невидимые невооруженным глазом. Агрегаты соединены меж собой эластичными водно-коллоидными либо жесткими кристалли-зационными скелетными связями. Крепкость их малозначительна, несоизмерима с прочностью минеральных частиц скелета. Процентное содержание минеральных частиц различных размеров (гранулометрический состав) определяет систематизацию отдельных грунтов, отнесенных к классам связных и бессвязных (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. Но в отличие от газов у грунтов большая деформация только отчасти обратима.
Величина большой деформации и ее необратимой составляющей зависит не только лишь от нагрузки, да и от продолжительности воздействия. Зависимо от продолжительности деяния нагрузки может иметь место одна из 2-ух форм протекания уплотнения - консолидация либо динамиче-ское сжатие. В обоих случаях необратимая большая деформация происходит за счет уменьше-ния объема порового места и сопровождается переукладкой минеральных зернышек скелета, разрушением структурных связей и образованием новых.
При консолидации уменьшение порового места сопровождается вытеснением из него воды и газов. Величина деформации и скорость процесса зависят не только лишь от нагрузки и прочности скелетных связей, да и от водопроницаемости, определяемой гранулометрическим составом грунта. При всем этом влажность грунта миниатюризируется.
Крепкость структурных связей в связных грунтах, от которых зависит протекание де-формации формоизменения и большой деформации (обеих ее форм), может в 10-ки и даже сотки раз понижаться либо возрастать с конфигурацией влажности. Это определяется растворением солей, образующих жесткие кристаллизационные скелетные связи, и конфигурацией толщины пле-нок водно-коллоидных связей.
Дискретность строения грунтов и физико-механические свойства их составных частей (фаз) определяют закономерности проявления физико-механических параметров грунта в целом.
3.Главные понятия и определения. Причины, 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 их фундаментов и надзем-ных конструкций сооружений. Основание создано для восприятия нагрузок и других воздействий через фундаменты от надземной части сооружения, и строительство его самого по для себя без сооружения и фундаментов лишено практического смысла. Потому под надежно-стью основания сооружения следует осознавать, в сути, надежность 1-го 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, обычно, возникновение таких деформаций и напряжений в фундаментах и надземных конструкциях сооружения, при которых они становятся нена-дежными даже в этом случае, если их надежность сама по для себя (без учета воздействия основа-ния) и была обеспечена. В то же время ненадежность фундаментов и надземных конструк-ций сооружения не оказывает обычно прямого воздействия на надежность основания, если по-следняя была обеспечена в процессе проектирования с учетом всей совокупы дейст-вующих на нее нагрузок и других причин.
Таким макаром, обеспечение надежности работы основания следует рассматривать как метод обеспечения надежной работы всей системы основание - фундамент - надзем-ная часть сооружения. При всем этом аспект надежности 2-ух частей системы (фундамент - надземная часть сооружения) является основным аспектом, ублажение которого обусловливает обеспечение надежности основания и всей системы в целом. Надежность ос-нования - это его способность принимать всю совокупа наружных воздействий (на-грузки, природно-климатические и технологические причины) в течение данного срока с обеспечением обычной эксплуатации сооружения в целом и расположенного в нем обо-рудования.
Основными факторами, определяющими в общем случае надежность оснований соору-жений, являются:
соответствие принятых схемы и способа расчета основания реальным ус-ловиям его работы в каждом определенном случае;
достоверность описания инженерно-геологических критерий строительства соору-жения, получаемого в процессе полевых изысканий и обследований;
достоверность начальных материалов о физико-механических свойствах грунтов оснований, получаемых на базе полевых и лабораторных способов их тесты с учетом происхождения грунтов, критерий их естественного залегания, структуры и сложе-ния, также способности их конфигурации в процессе использования строения либо сооружения, построенного на грунтах основания;
достоверность материалов о нагрузках и воздействиях, которым подвергаются ос-нования сооружений при их эксплуатации;
корректность реализации проектных решений в процессе строительства, обеспе-чиваемая средствами контроля за качеством и предусмотренной технологией производства работ.
Количественное описание большей части из перечисленных причин во всей слож-ности их взаимодействия во время фактической работы оснований сооружений должно выполняться с учетом изменчивости как строй параметров грунтов оснований, так и нагрузок и воздействий, которым они подвергаются через фундаменты от надземных кон-струкций. По обозначенной причине исследование закономерностей изменчивости физико-механических характеристик параметров грунтов, равно как нагрузок и воздействий, является принципиальной предпосылкой и основой обеспечения надежности оснований сооружений.
Чем выше качество начальных данных, тем с большей достоверностью проектная надеж-ность основания сооружений приближается к эксплуатационной. В безупречном случае, при пол-ной адекватности содержания проектных расчетов реальным условиям работы основа-ний, проектный уровень надежности совпадает с эксплуатационным. Рвением к этому от-мечены все поиски на пути усовершенствования как расчетных схем, так и способов получения начальных данных о показателях параметров грунтов оснований, нагрузках и воздействиях, выте-кающих, обычно, из содержания принимаемых расчетных схем и находящихся в тесноватом согласовании с ними. Понятие расчетной схемы системы "основание - фундамент-сооружение" содержит в себе и совокупа всех начальных данных о грунтах, нагрузках и воз-действиях, нужных для ее использования в процессе проектирования.
Принципиальным нюансом обеспечения надежности основания является учет в расчетной схеме способности конфигурации параметров грунтов в процессе использования сооружения в итоге продолжительности воздействия эксплуатационных нагрузок, также с конфигурацией влажности.
4. Лабораторные исследования конфигурации параметров грунтов при повышении УГВ.
Для понятия природы и нрава конфигурации деформационных и прочностных ха-рактеристик грунта при увлажнении из-за увеличения УГВ нами были проделаны ком-прессионные и сдвиговые тесты суглинка. Нами были приготовлены эталоны туго-пластичного суглинка, имеющего проектные влажность W = 12 %, плотность частиц s = 2,7 г/см3 и коэффициент пористости е = 0,6.
Эталоны изготавливались методом изготовления пасты из суглинистого порошка, имеющего влажность на пределе пластичности Wp = 19 % и влажность на пределе текуче-сти WL = 31 %. Для этого из размельченного и просеянного через сито 0,01 мм воздушно-сухого грунта массой 50 г с добавлением нужного 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 эталона суглинка с данным проектным коэффициентом пористо-сти е = 0,6 и влажности W=12%, обусловили массу грунта последующим 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.
Потом эталоны грунта замачивались до влажности W=27 %, которая соответствует полному водонасыщению грунта при поднятии УГВ. При увеличении влажности измени-лись физические свойства грунта. Сопоставление изменившихся физических показате-лей после увлажнения с их проектными показателями показаны в таблице №1.
Таблица №1
Сопоставление физических черт глинистого грунта
Плотность, т/м3
Влажность, W, %
Плотность сухого грунта,rd,т/м3
проектная
созданий
проектная
созданий
проектная
созданий
1.89
1.86
12.0
27.4
1.69
1.46
Дальше эталоны, 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 домом, испытывали в одо-метре и в сдвиговом приборе.
Приобретенные результаты представлены в таблицах № 2 и 3.
Таблица №2
Компрессионные тесты 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 тесты 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 приобретенные результаты, можно сделать выводы, что физико-механические свойства грунта при его увлажнении значительно меняются, также существенно уменьшаются его прочностные и деформационные свойства.
При изменившихся свойствах грунта несущая способность основания уменьшает-ся, что нужно учесть при реконструкции фундаментов, потому что при всем этом возрастает и нагрузка на их.
Юрченко С.Г., доктор кафедры
"Основания и фундаменты" МГУП,
Компания B2Building
