Изменение прочностных и деформационных характеристик грунтов в основании реконструируемых зданий

В результате действия нагрузок на массив грунта последний (при отсутствии неблагоприятных ситуаций) упрочняется в локальной зоне под подошвой фундамента (штампа). Многие исследователи показывают, что при этом увеличиваются сцепление (зацепление) с и угол внутреннего трения φ. А. И. Орнатский (1962), П. А. Коновалов (1980), Б. И. Далматов, Е. С. Утенов (1981) отмечают увеличение сцепления в тинистых грунтах в 2-4 раза; возрастает и зацепление песчаных грунтов, но незначительно, что видно из данных табл. 2.8.

Изменение прочностных характеристик грунтов

Номер опыта

Грунты

φ°

с, МПа

φ°

с, МПа

φ°

с, МПа

φ°

с, МПа

φ°

с, МПа

φ°

с, МПа

В естественном состоянии     Под подошвой

0,001 0,004

0,001 0,012

0,007 0,031

0,020 0,024

0,008 0,025

0,016 0,025

Таблица 2.8

А. Г. Ройтман в условиях Москвы наблюдал увеличение сцепления суглинков с начальным коэффициентом пористости 0,48 - 0,52 и с = 0,01МПа при давлении 0,75МПа в 2 раза; при давлении 0,25МПа -в 5 раз. При этом угол внутреннего трения для тугопластичных суглинков при изменении давления и с течением времени не изменялся.

Вследствие увеличения значений прочностных характеристик возрастает и расчетное сопротивление. По данным П. А. Коновалова (1980) и Е. А. Сорочана (1976), такое увеличение для глинистых грунтов составило 56%, для песчаных - 44%.

Представляется, что такой подход к установлению значения расчетного сопротивления с учетом уплотнения грунтов в процессе эксплуатации (R_упл) более обоснован. Порядок определения R_упл может быть следующим:

• в процессе обследования устанавливают фактические значения
угла внутреннего трения с учетом опрессовки грунтов φ_упл и сцепления с_упл.;

• полученные значения являются основой для установления R_упл..

Несомненную сложность представляет методика определения основных прочностных характеристик непосредственно под фундаментами. Поэтому для поверочных расчетов используют различные приемы, позволяющие уточнять необходимые для расчета данные. Интересен анализ изменения свойств грунтов основания во времени для различных сооружений со сроком эксплуатации 100 и более лет в разных регионах страны. Установлено, что в процессе эксплуатации давление по подошве фундамента р_t увеличивается в 2,1 - 2,7 раза по сравнению с начальным давлением по окончании строительства - р₀. Эти данные систематизированы в табл.2.9.

На основании натурных и лабораторных испытаний Ю. Н. Дворкиным (1985) была предложена интересная методика получения значений рис песчаных грунтов для прогнозируемого момента времени. Закономерности изменения во времени прочностных характеристик приведены на рис. 2.8. По найденным корреляционным зависимостям составлены эмпирические формулы для определения значений φ_t и с_t:

для песков средней крупности

φ_t=φ_о+0,0614t,
с _t= с _о+0,000372t, (2.4)

 

для мелких песков

φ_t=φ_о+0,0369t,
с _t= с _о+0,000490t, (2.5)

для песков пылеватых

φ_t=φ_о+0,0668t,
с _t= с _о+0,00109t, (2.6)

где φ_о и φ_t - углы внутреннего трения соответственно до момента загружения и за время t; с₀ и с _t - удельное сцепление до загружения и за время t.

Свойства песков в основании зданий в разных городах России

Таблица 2.9

 

Здание	Показатели давления, МПА явления, МПа	Вид	Грунты Характеристики	Кол-во частиц <0,25мм, %
р0	рt	R	рt/R	рt/р0	р0/R	Характеристики
ω	γd	φо ^°	с, МПа
Глуховский комбинат (Ногинск)	0,345	0,94	0,62	1,52	2,72	0,56	Песок крупный	0,02	1,65		0,02	9,9
Фабрика им. Фрунзе (Москве)	0,21	0,6	0,37	1,82	2,3	0.57	Тоже	0,02	1,58		0,01	6,7
То же	0,1950.46	0,46	0,37	1,24	2,3	0,59	"	0,02	1,58		0,051	0,7
Комбинат "Красная Роза" (Москва)	0,23	0,48	0,39	1,23	2,1	0.8	Песок сред-незе-рни-стый, мало-влажный	0,02	1,58		0,05	7,9
Комбинат "Красный Октябрь" (Горький)	-	0,62	0,33	1,88	-	-	Песок мелкий мало-влажный	0,05	1,7		0,01	72,7
Ореховский комбинат (Орехово-Зуево)	0,19	0,5	0,34	1,47	2,6	0,56	Тоже влажный	0,14	1,72		0,01	69,7

 

Приведенная методика представляет значительный интерес и позволяет решать последовательно следующие реконструкционные задачи:

• устанавливать значения расчетного сопротивления с учетом опрессовки грунтов во времени;

• решать вопрос о необходимости усиления оснований и фундаментов для
целей реконструкции с учетом прочностных характеристик грунта.

Однако и этот подход представляется несколько общим и формализованным, так как фактические прочностные характеристики грунтов непосредственно под фундаментом могут сильно отличаться от рассчитанных поданной методике. В процессе длительной эксплуатации здания может действовать целый ряд неблагоприятных факторов, приводящих не к уплотнению грунтов во времени, а к нарушению их структуры.

 

 

 

Рис. 2.8. Графики зависимости угла внутреннего трения (а)

и удельного сцепления (б) от длительности загружения песков в интервале давлений

0,25 - 0,35 МПа:

1 - пески средней крупности (φ=0,0614t+32,33, с=0,000372t+0,0226);

2 - пески мелкие (φ=0,0369t+31,13; с=0,000490t+0,0203);

3- пески пылеватые (φ=0,0662/+30,39; с=0,0011t+0,0305

 

Представляется обоснованным подход, связанный с фиксацией состояния грунта на момент реконструкции непосредственно под подошвой фундамента. В процессе длительного уплотнения меняются также деформационные характеристики грунтов; соответственно уменьшается сжимаемость и увеличивается значение модуля общей деформации. Это следует из анализа результатов многих исследований.

Е. А. Сорочан и Ю. И. Дворкин приводят сопоставительные данные испытаний штампами грунтов природного сложения и уплотненных различным давлением (табл.2.10).

 

Соотношение осадок штампов

Таблица 2.10

Место проведения испытаний	Значение n* при давлении, МПа
0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6
Комбинат "Красный Октябрь" Комбинат "Красная Роза"	0,19   0,28	0,21   0,27	0,15   0,26	0,13   0,57	0,16   0,61	0,15   0,6

* п - отношение осадок штампов на грунте, уплотненном длительной нагрузкой, к осадкам на грунте природного сложения.

Авторы делают вывод о том, что осадки штампа на уплотненном грунте зависят от зернового состава, начальной плотности и других факторов. Так, для мелких песков осадки уплотненного грунта составляют 0,16 от осадок грунтов природного сложения, а для песков средней крупности эта величина достигает 0,57.

В табл.2.11 приведены соотношения модулей деформации уплотненного и неуплотненного грунтов при различном давлении по подошве фундамента.

Сопоставление модулей деформаций при разных давлениях

Таблица 2.11

Вид грунта	Значение Еупл/Епр при давлении, МПа
0,1	0,2	0,3	0.4	0,5	0,6
Песок мелкий Песок средней крупности	- -	2,7 2,2	3,8 2,1	3,9 1,9	3,9 1,7	4,2 1,6

Анализ проведенных исследований показал, что уменьшение деформативности не пропорционально изменению коэффициента пористости и происходит тем интенсивнее, чем дисперснее грунт. Можно объяснить это явление сложными физико-химическими процессами на контактах твердых частиц грунта, требующими специальных исследований.

П. А. Коновалов приводит данные испытаний грунтов с примесью растительных остатков до 10% от общей массы или слабо заторфованных грунтов с 0,11 < q < 0,8 (q - степень заторфованности).

Осадки зданий на этих грунтах, несмотря на значительную абсолютную величину, стабилизировались. В результате длительного обжатия давлением от сооружений изменились прочностные и деформационные свойства грунтов. Главное влияние на характер деформирования и количественное соотношение между упругими и остаточными деформациями оказывают особенности структуры заторфованных грунтов. В табл. 2.12 приведены данные штамповых испытаний таких грунтов. Штампы устанавливали на грунты ненарушенной структуры, выдерживали под нагрузкой до условной стабилизации и разгружали. Через некоторое время производили повторное загружение фундаментов. В ходе экспериментов измеряли общую стабилизированную осадку фундамента при первичном и повторном загружении и остаточную осадку после снятия нагрузки.

Из табл. 2.12 видно, что при первичном загружении заторфованные грунты характеризуются в основном остаточными деформациями. Такое преобладание остаточной деформации П. А. Коновалов объясняет особенностями структуры заторфованных грунтов, где наличие гидрофильных органических веществ предопределяет большое содержание рыхло-связанной и свободной воды, отжимаемой из грунта под давлением. Кроме того, у заторфованных грунтов органические вещества после снятия нагрузки утрачивают способность восстанавливать прежнюю влагоемкость. Следовательно, существенного разуплотнения грунта при разгрузке не происходит.

Данные полевых испытаний

Таблица 3.12

 

Содержа- ние рас- титель- ных ос- татков	Площадь F, м^2	Время стабили- зации, сут	Модуль деформации	Е1/Е2	Осадки
Е1	Е2	Sобщ	Sост	Sобщ Sост %
0,12	0,5				4,8
0,25	0,5				4,5
0,18	0,94				4,3		17,5
0,18	0,94				4.8	3,5
0.11	0.64				3,5	12,5
0,12	3,2				3,6		15,5
0,18	0,64				15.2
0,12					3.8