Опытное определение характеристик уплотненных грунтов для геотехнических расчетов

Как отмечалось выше, зоны уплотнения, определенные на основе теоретического решения и данных экспериментальных исследований, имеют форму, близкую к эллипсу. Однако при использовании подобной информации для практических целей необходимо обратить внимание на следующие обстоятельства. Напряженное состояние грунтов в основании фундаментов эксплуатируемых зданий в процессе формирования зон уплотнения может многократно изменяться под влиянием:

• проходки вблизи здания глубоких выработок, подработки территории;

• изменения горизонта подземных вод, особенно при наличии слабых слоев грунта в пределах сжимаемой толщи;

• вибрационных воздействий от работающего оборудования, динамических воздействий от транспорта и пр.;

• локального промерзания-оттаивания в процессе откопки траншей;

• выноса тонкодисперсных частиц в канализационные сети (трубы, тоннели).

Все эти факторы в теоретическом прогнозе просто не могут быть учтены, в силу чего реальные зоны уплотнения грунта могут отличаться от полученных расчетом либо на основе испытания грунтов штампами.

Для нахождения размеров зон уплотнения-упрочнения в основании существующих фундаментов и оценки их вида для решения конкретных реконструкционных задач была обследована группа зданий, подлежащих надстройке или реконструкции с повышением нагрузок на фундаменты. По результатам обследований были выполнены поверочные расчеты. Это позволило установить необходимость усиления оснований и фундаментов и обосновать возможность и эффективность использования современных технологических приемов реконструкции фундаментов.

В качестве характерного примера можно привести опытную площадку на реконструируемом здании по ул. Ломаной, 10 в Московском районе Петербурга Исследования проводили инженеры Л.К. Пронев и Л.А. Глыбин при научном руководстве автора главы. Планировалась достаточно сложная реконструкционная задача, связанная с надстройкой 2-этажного административного здания начала XXв. на 2-3 этажа. При этом нагрузка возрастала почти в 2 раза. Здание кирпичное (стены в 2,5 кирпича), бесподвальное; фундаменты ленточные бутовые при ширине подошвы b=1,0-1,1м и глубине заложения d=1,5м.

Перед исследователями были поставлены конкретные вопросы:

• можно ли надстроить здание без специальных мер по усилению оснований и фундаментов;

• если необходимо усиление, то какие технологические приемы будут эффективными с учетом фактического состояния грунта.

Грунт в основании представлял собой достаточно однородный слой пылеватых серых водонасыщенных суглинков, находящихся в тугоплас-тичном состоянии. На глубине 3,0-3,1м отмечалась прослойка мелкого водонасыщенного песка. Средние показатели суглинка составили: γ =18,5кН/м³; φ=17°; с =0,017 МПа; е =0,70.

Интенсивность давления под подошвой фундамента шириной b = 1м составила р= 0,15МПа. Расчетное сопротивление грунта основания, определенное по формуле (7) СНиП 2.02.01-83*, R₇=0,184МПа. Ориентировочная величина первого критического давления, подсчитанная по формуле П. Н. Пузыревского, составила R_кр'=0,163МПа. Для сравнения теоретических данных с натурными был произведен отбор проб грунта непосредственно в основании фундаментов в точках, указанных на схеме (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Схема отбора проб режущими кольцами

 

Результаты анализов 39 проб использованы для выделения в основании зон различной степени уплотнения, сформировавшихся в результате длительного воздействия нагрузки от фундамента на грунт; 28 проб грунта использованы в лабораторных испытаниях для получения прочностных и деформационных характеристик, применяемых в поверочных расчетах.

Анализ пространственной изменчивости показателей свойств грунтов в основании фундаментов осуществлялся по современным нормативам. Использован метод качественной оценки точечных графиков изменения характеристик по глубине основания и по простиранию (рис. 2.10). Критерием необходимости расчленения основания на элементы (зоны) принято условие, по которому коэффициент вариации величины е в пределах /-го элемента не должен превышать 0,10. Аналогичный анализ проведен для естественной влажности ω. Представилось возможным выделить три зоны (/, // и III на рис.3.10).

Совмещенные схемы построения зон с различными величинами е и №, характеризующими пористость и влажность грунта, позволяют получить размеры области возможного расположения границ раздела зон (области а - к на рис. 2.10).

Достаточно объемное исследование проводили путем отбора проб из шурфов в основании фундаментов и рядом с фундаментом. Ввиду того, что образцы в основании фундаментов находились под значительным давлением, во избежание их набухания и расструктуривания испытания производили не позднее чем через 2 часа после отбора. Кроме того, образцы нагружали давлением, соответствующим натурному. Полученные в ходе испытаний значения характеристик грунта использовали в сравнительном анализе.

На основании анализа полученных фактических данных можно отметить следующее:

1. Столь объемные полевые и лабораторные исследования целесообразно выполнять лишь для уникальных объектов. Представляется рациональным шире использовать полевые методы исследования грунтов.

Рис. 2.10. Вид уплотненных зон в основании фундаментов здания: /. /// - уплотненные зоны; // - зона, в которой уплотнение не наблюдалось

2. Для получения основных деформационных характеристик использовались компрессионные испытания со всеми свойственными им недостаткам.

Чтобы устранить указанные недостатки, были отработаны и использованы современные экспресс-методы испытания грунтов в основании фундаментов реконструируемых зданий (зонды, винтовые штампы и пр.). Полученные на основании объемных испытаний с отбором образцов грунта фактические материалы по реальному зданию позволили:

1. Обеспечить надежность данных для геотехнических расчетов, включающих численный анализ с целью прогноза возможных деформаций при использовании различных технологий усиления.

2. Выявить фактические зоны уплотнения, отличающиеся от получаемых расчетом.

3. Установить в конкретном случае зоны, в которых уплотнение не наблюдалось (зона II на рис. 2.10).

Напряжено-деформированное состояние в основании фундаментов зависит от большого количества исходных факторов, а главное - от условий эксплуатации здания и сооружения. Учесть все факторы теоретически достаточно сложно, не имея информации по истории загружения здания. Зафиксированные в приведенном конкретном случае зоны некоторого разуплотнения грунта (зона // на рис. 2.10) могли быть связаны с большим количеством неблагоприятных факторов, в том числе с ведением работ по откопке траншей.

Таким образом, исходным и объективным материалом могут служить фактические данные по грунтам, полученные при предпроектном обследовании на момент реконструкции. При соответствующем расчетном обосновании можно решить сложные реконструкционные задачи. В данном конкретном случае представилось возможным произвести надстройку 2 этажей. Для достройки третьим этажом, согласно расчетам, необходимо усиление оснований и фундаментов. Технологически это может быть решено использованием высоконапорных инъекций для улучшения свойств грунтов оснований и, соответственно, увеличения глубины заложения подошвы старого фундамента. Вторым альтернативным вариантом может быть использование коротких наклонных буроинъекционных свай с предварительной инъекцией кладки фундамента. Оба варианта исключают большие объемы земляных работ, предполагают использование современного высокопроизводительного бурового и инъекционного оборудования.

Экономические расчеты могут определить рациональность такой надстройки с учетом затрат на усиление оснований и фундаментов по предложенным технологиям.