Разгрузка грунта основания и ее учет при реконструкции

В практике строительства и реконструкции имеют место случаи разгрузки массивов грунтов, нередко сопровождающиеся расструктуриванием и ухудшением их свойств. В качестве характерных примеров можно привести поднятие дна котлована при снятии природного давления. Аналогична работа оснований при циклических нагрузках (элеваторы и резервуары), при разгрузке грунтов под фундаментами реконструируемых зданий и сооружений, когда нагрузка может сниматься частично или полностью. Такие явления имели место при капитальном ремонте зданий Петербурга, восстановлении Новгородского Кремля, стены которого получили значительный физический износ, а фундаменты еще могут использоваться после восстановления стен. В многолетней практике обследования зданий автор настоящей главы был свидетелем свыше 20 случаев аварийных деформаций, связанных с поднятием фундаментов и ростверков после снятия нагрузки. В силу важности этого вопроса рассмотрим явления, происходящие при разгрузке.

В работах многих исследователей дана достаточно полная картина физических процессов в грунтах при снятии нагрузки, а также их количественная оценка. Общую деформацию разделяют на упругую составляющую с упругим последействием и неупругую (остаточную). Упругие деформации объема твердых частиц и воды ничтожно малы и в инженерных расчетах, как правило, не принимаются во внимание. Однако при разгрузке упругие искажения формы могут достигать значительных величин. Так, например, С. А. Роза (1934) рассматривает деформации дна котлована, обусловленные на 2/3 изменением формы массива, на 1/3 - объемной деформацией. Здесь поднятие дна является результатом скашивания массива в сторону выемки. Подобное объяснение деформации дна котлована дал и К. Терцаги.

Часто на практике деформации разгрузки массивов грунта могут быть вызваны упругим расширением грунтов, обусловленным наличием в грунте газа и воздуха. Примеры такого расширения дают В. Г. Булычев (1948), В. М. Веселовский (1952), С. А. Роза (1949), О. Р. Голли (1978).

В глинистых грунтах значительную долю деформации разгрузки могут составлять деформации набухания-расширения грунта за счет расклинивающего эффекта электромолекулярно-связанной воды при понижении давления (Дерягин, 1943). Кроме того, в набухающих глинах могут происходить деформации за счет увеличения влажности, сопровождающего разгрузку, повышения уровня грунтовых вод, появления в них напора, инфильтрации вод различного происхождения. В этом случае увеличение объема будет происходить, как при набухании с замачиванием грунта, что подробно описано в работах Е. Н. Сорочана.

Набухание грунтов вследствие разгрузки может происходить и без дополнительного доступа воды, за счет воды порового пространства, как отмечают Н. М. Герсеванов (1948) и Н. Я. Денисов (1971).

Некоторые исследователи считают, что деформации разгрузки в значительной мере обусловлены пластичностью (Б. И. Далматов, 1981), ползучестью за счет взаимных сдвигов частиц (Н. А. Цытович, 1960).

При уменьшении вертикального давления до определенной величины наступает предельное напряженное состояние, при котором начинает изменяться горизонтальное напряжение. Вследствие развития касательных сил на контактах частиц происходит локальное разрушение структурных связей; сдвиг взаимное смещение частиц относительно друг друга при нарушении предельного равновесия (Б. И. Далматов, 1975; Ф. Г. Габдрахманов, 1981; М. М. Алексеев, 1975). Исследования показали, что изменение бокового давления при уменьшении вертикального проявляется сразу, но интенсивность его мала. Исследования Н. П. Калмыковой (1975) свидетельствуют, что в результате разгрузки на величину до 0,6 МПа в массиве грунта формируются зоны сдвига.

Деформации разгрузки можно разделить по времени их отставания от момента снятия нагрузки на мгновенные, упругого последействия и длительные. Деформации песков в основном мгновенны. В первые минуты реализуется до 90% общей деформации. Для глинистых грунтов характерны преимущественно деформации последействия и длительные. Упругие деформации, по данным Б. И. Далматова и Л. П. Ягдановой, составляют лишь 5,5% от восстанавливающейся деформации.

Рассмотренные физические причины, обусловливающие характер тех или иных видов деформаций грунтов, в естественных условиях могут существовать и проявляться по-разному. Это зависит от величины снятого давления, грунтовых условий и первоначального напряженного состояния массива.

В литературе имеется много данных лабораторных и полевых исследований поведения грунтов при разгрузке, изучены основные закономерности этих процессов. В то же время наблюдения за разгрузкой оснований зданий и сооружений в условиях реконструкции ранее не проводились.

Деформации разгрузки в песчаных и глинистых грунтах происходят по-разному и обусловлены целым рядом факторов, в том числе структурой этих грунтов. Глинистым грунтам присущи большие упругие деформации, чем песчаным, что наглядно видно из табл. 2.13. Об этом свидетельствуют и наблюдения за деформациями дна котлована. По данным Р. А. Токаря (1949), при снятии природного давления примерно до 0,15МПа в сухом песчаном грунте наблюдалась деформация 25мм, поднятие же глинистого водонасыщенного основания составило 60мм.

Анализируя данные в табл. 2.13, можно отметить большую долю остаточных деформаций. Так, в компрессионных опытах Ф. Г. Габдрах-мановым (1981) были получены значения обратимых деформаций в 50% и более. Грунты меньшей плотности и большей влажности давали значительно меньшую долю деформации. Из анализа экспериментальных наблюдений за послойными деформациями разуплотнения видно, чтобольшая часть деформаций происходит в верхней зоне оснований. В штамповых испытаниях установлено, что 90% восстанавливающейся деформации реализуется в пределах 1,2d. В относительно слабых грунтах она реализуется в несколько больших пределах - до 1,6d.

 

 

Данные по деформациям грунтов при загрузке

Таблица 2.13

Исследователи	Вид испытаний	Исследуемые грунты	Деформации, %
			остаточные	восстанавливающие
Б.И. Далматов, Я.П Ягданова	Лабораторные компрессионные	Суглинки
В. М. Чикишев (1977)	Штамповые	Водонасыщенные суглинки
В. Н. Голубков и др. (1976)	-«-	Песчаный грунт
А. 3. Попов (1974)	Компрессионные	Суглинки
П.А. Коновалов (1970)*	Штамповые	Песчаный грунт
Е. С.Утенов (1981)	-«-	Суглинки
Ф. Г. Габдрахманов (1981)	Лабораторные компрессионные	-«-

*Разгрузка составила 0,7МПа.

До 95% поднятия дна котлована при разгрузке от природного давления в 0,8МПа (глубина котлована 4м) происходит в пределах 2-метровой толщи, причем 70-80% - на глубине 1м.

Вместе с тем зона разуплотнения в глубоком котловане может достигать значительной величины, н. И. Калмыкова (1975) наблюдала развитие зоны разуплотнения котлована с глубиной 30м на глубину до 5,0м. Разгрузка достигала 0,6МПа.

Необходимо учесть также, что деформации разуплотнения в глинистых грунтах могут носить длительный характер.

В экспериментах Ф. Г. Габдрахманова (1981) основная часть деформаций проявилась сразу после откопки. Так, перемещение марки на уровне дна в центре котлована через сутки составило более 60% от стабилизированной величины подъема дна. С глубиной деформации разуплотнения грунта развиваются медленно (рис. 2.11). Здесь кривые разуплотнения аппроксимируются логарифмической зависимостью.

Разуплотнение в массиве глин, по наблюдениям Н.И. Калмыковой, продолжалось 7 лет. Наиболее интенсивно оно происходило в период откопки котлована. Скорость подъема в этот период составляла 30мм/год, а в последующий период не превышала 5-10мм/год.

Данные компрессионных и штамповых испытаний свидетельствуют о том, что интенсивность деформирования зависит от степени разгрузки.

Рис. 2.11. Развитие деформаций разуплотнения с глубиной во времени,

по данным Ф.Г. Габдрахманова, (М-марка)

 

При разгрузке до достижения определенного давления, названного Б. И. Далматовым (1975) давлением начала набухания Р_нб, деформирование почти не происходит, а кривая декомпрессии почти горизонтальна. Необходимо отметить, что давление начала набухания Р_нб - величина весьма условная, так как точно определить ее по декомпрессионной кривой достаточно сложно. Б. И. Далматов обоснованно связывает давление начала набухания с предельным равновесием, при нарушении которого начинаются деформации разуплотнения.

Р_нб=ξ²·р_z (2.7)

где ξ - коэффициент бокового давления; р_z - вертикальное давление.

На величину обратимых деформаций влияют наличие органических остатков и степень заторфованности грунта. Обратимые деформации таких грунтов составляют 5 -12%.

По изложенному материалу можно сделать следующие выводы:

• разуплотнение может достигать значительных величин в зависимости от величины разгрузки, типа грунта, степени его водонасыщенности;

• в глинистых грунтах деформации разуплотнения носят длительный характер; в первую очередь происходят деформации верхних слоев, с течением времени в процесс деформирования вовлекаются все более глубокие слои грунта;

• большая часть обратимых деформаций протекает в верхних слоях грунта, с глубиной они уменьшаются;

• при разгрузке грунта до давления Р. деформации могут не развиваться;

• совершенно не изучен вопрос разуплотнения грунтов при снятии нагрузок от разбираемых зданий, которые при 5-этажных зданиях достигают 0,3-0,4МПа.

Не до конца выяснены вопросы расструктуривания грунта после разуплотнения. Нет данных о последующем загружении фундаментов и, соответственно, грунтов основания аналогичной или большей нагрузкой в зависимости от реконструкционной ситуации.

Рассмотрим более детально изменение свойств грунтов и оценим мощность зоны расструктуривания. Наиболее подробные исследования изменений характеристик грунтов вследствие снятия природного давления при откопке котлована были выполнены Б. И. Далматовым, Ф. Г. Габдрах-мановым (ЛИСИ, 1981) и Н. И. Калмыковой (1975). Подобные исследования применительно к разгрузке оснований в период реконструкции, связанной с разборкой стен и перекрытий зданий, не производились.

Представляется, что закономерности, полученные при исследовании грунтов в глубоких котлованах, могут быть использованы и для решения реконструкционных задач.

Исследования Н. И. Калмыковой показали, что при разгрузке происходит разуплотнение некоторой толщи грунта. В результате статистической обработки установлено, что удельный вес скелета грунта уменьшился с 15,5кН/см³ (до начала разработки котлована) до 14,9кН/м³при разгрузке в 0,4МПа. Через 5 лет удельный вес скелета грунта уменьшился еще на 0,5кН/м³. Развитие процесса разуплотнения в массиве глин связывается с уменьшением природной нагрузки и влиянием гидростатического напора подземных вод. При уменьшении природной нагрузки в водонасыщенных грунтах процесс разуплотнения протекает наиболее интенсивно. В дальнейшем в обводненной толще глин под влиянием гидростатического напора развивается процесс "слабого разуплотнения".

Под влиянием разуплотнения уменьшались сопротивляемость глин сдвигу и их сжимаемость. Изменения прочностных характеристик грунтов Н. И. Калмыкова исследовала стандартными лабораторными испытаниями за 3периода (рис. 2.12): /-до начала разработки котлована, II-в начальный период после его разработки и /// - через 3 года после вскрытия. Они показали существенное снижение прочностных характеристик (см.рис. 2.12).

Рис. 2.12. Данные сдвиговых испытаний образцов грунта в разные периоды

 

Снижение сопротивления глин сдвигу обусловлено, главным образом, уменьшением структурного сцепления, которое составило около 40%.

Влияние разуплотнения на деформационные свойства глин выразилось в снижении их структурной прочности и увеличении сжимаемости. Компрессионные испытания показали, что характер деформаций сжатии типичен для переуплотненных глин.

Величина структурной прочности до начала разработки котлована изменялась от 0,1 до 0,25МПа Испытания разуплотненных образцов показали уменьшение структурной прочности в 3 - 8раз. Деформации этих образцов в диапазоне 0,05 - 0,3МПа увеличились в среднем в 1,5 - 3 раза.

Несомненно, результаты испытаний образцов грунтов в лабораторных условиях не лишены погрешностей, связанных с изменением свойств грунтов при извлечении образцов с достаточной глубины, нарушением их естественного сложения. Более достоверные данные дают испытания грунтов в их естественном залегании. Ф. Г. Габдрахманов (1981) проводил испытания прочностных свойств грунтов крыльчаткой СК-8. К сожалению, не были проведены испытания до откопки котлована.

На рис. 2.13 видно, что с течением времени в процесс изменения вовлекаются все более глубокие слои грунта. Испытания через 2 недели показали, что сопротивление сдвигу уменьшилось в 2,3 раза. Очевидно, не всякое разуплотнение ведет к изменению прочностных свойств грунтов. В соответствии с различными моделями поведения грунта существуют различные методы расчета деформаций, учитывающие в разной мере соотношение упругих и остаточных деформаций. Рассмотрим количественные оценки физических явлений, происходящих при разгрузке.

Задача свободных деформаций котлована решена на основе методов теории упругости М.Н. Горбуновым-Посадовым и др. (1954). Результаты решения этой задачи с учетом выемки лишь на 3% отличаются от результатов решения без её учета. С.А. Роза (1954) также применил теорию упругости для практического определения относительных деформаций дна котлована.

Рис. 2.13. Результаты испытаний крыльчаткой.

Относительное изменение сопротивления сдвигу:

1-в день отрывки котлована; 2-через 3 дня после отрывки;

3-через две недели; 4-через 4 недели.

 

При этом получено следующее решение для полупространства:

S_у = (2.8)

где S_у - упругая вертикальная деформация любой точки; ω' - коэффициент формы; F - площадь разгрузки; с - коэффициент упругого полупространства,

с=

где υ - коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости грунта. Подобное решение дает Бьеррум (1973) для определения упругой составляющей подъема дна:

δ _п =qb (2.9)

где q - среднее уменьшение тотального вертикального напряжения у дна котлована; b - ширина котлована; υ - коэффициент Пуассона; Е - модуль Юнга; J - коэффициент влияния.

По Б. И. Далматову, величина деформируемой зоны равна

z _п= (2.10)

где ξ- коэффициент бокового давления грунта в состоянии покоя (без возможности горизонтальной деформации); h - глубина котлована; h₀ -фиктивная высота, обусловленная эквивалентным всесторонним давлением.

Для несвязных грунтов

z _п= (2.11)

Ниже глубины z _п будут наблюдаться незначительные упругие деформации.

В различных условиях горизонтальное природное давление не всегда соответствует горизонтальному давлению покоя. Оно определяется коэффициентом бокового давления в природном состоянии k₀.Этот коэффициент может быть равен ξ, если грунт не подвергали воздействиям, может быть меньше, но всегда меньше 1/ξ, т.е. ξ<k₀<1/ξ.

С учетом /с, глубина деформируемой зоны будет определяться следующими формулами (Ф. Г. Габдрахманов, 1981):

z _п= - для несвязных грунтов (2.12)

z _п= - для связных грунтов (2.13)

Экспериментальная проверка теоретических решений по определению зоны деформирования проведена Ф. Г. Габдрахмановым в ЛИСИ (1981). Его исследования показали, что формулы (2.10) - (2.13) дают завышенные значения деформаций.

Полагая, что коэффициент бокового давления в природном состоянии k₀ часто равен коэффициенту бокового давления покоя, Габдрахманов принял

z _п= (2.14)

для связных грунтов. Эта формула дает достаточную сходимость с экспериментальными данными.

Таким образом, при оценке деформаций разуплотнения необходим учет всех конкретных условий. На основе этого анализа выбирали модель поведения грунта и метод расчета деформаций. При таком расчете необходимо знать размеры деформируемой зоны грунтов в основании фундаментов. Достаточно простые выражения при несложной системе определения величины поднятия дна котлована получаются при использовании предложений В. А. Флорина (1961), развитых И. М. Юдиной (1989). На основе этих решений можно в порядке первого приближения оценить осадку фундамента, возведенного на разуплотненном грунте (рис. 2.14).

Осадку фундамента определяют методом послойного суммирования от фактического среднего давления с учетом загружения после реконструкции. Полная осадка S=S₁+S₂, где S₁ - доля конечной осадки от давления вторичного уплотнения Р₁, равного вертикальному напряжению в основании фундамента до реконструкции; S₂- доля конечной осадки от давления доуплотнения после реконструкции, Р₂=Р-Р₁.

Таким образом, полная осадка реконструируемого здания, возводимого на разуплотненном грунте, будет

 

S=β (2.15)

где σ_zp1i, σ_zp2i - средние значения вертикального напряжения в i-м слое, соответственно, от давления, предшествующего реконструкции, и от давления доуплотнения после реконструкции; Е _1iи Е _2i. - модули деформации грунта, характеризующие его сжимаемость в пределах действующих напряжений от среднего давления вторичного уплотнения и давления доуплотнения. При определении модулей деформации Е _1iи Е _2iможно использовать предложение А. В. Голли по регулированию жесткости кольца компрессионного прибора в процессе проведения лабораторных испытаний.

Для определения модуля деформации в полевых условиях перспективны полевые штампы, в частности, конструкции С. Н. Сотникова и В. Н. Бражник.

При недостаточности полевых испытаний деформации Е _1iв порядке первого приближения можно определить, используя корректирующий коэффициент k, связывающий Е _1iс Е _2i.

Рассмотрим конкретные примеры реконструкции, связанной с предварительной разборкой здания до уровня обреза фундамента. Имелись случаи, когда разборка производилась до подошвы с последующим нагружением грунтов большей, чем до реконструкции нагрузкой (Петербург, ул.Садовая,62).

Рис.2.14. Схема к расчету осадки старого фундамента

после возведения на нем нового здания

 

В практике проектирования вновь возводимых зданий на месте разобранных в настоящее время не учитывают предварительное длительное уплотнение основания в процессе эксплуатации и его возможное разуплотнение при реконструкции. В силу этого размеры фундаментов вновь возводимых зданий часто в 1,5 - 2 раза превышают размеры старых фундаментов при одинаковой нагрузке.

Нормативные документы не учитывают предварительное уплотнение и разуплотнение в процессе реконструкции, хотя вышеизложенный анализ показал существенное влияние обоих факторов на физико-механические характеристики грунтов основания.

Исследованные процессы разуплотнения грунтов дна котлована применительно к разгрузке оснований от веса зданий (0,15 - 0,5МПа) можно учитывать лишь в первом приближении. При решении конкретных реконструкционных задач необходим учет:

• наличия сложившегося напряженно-деформированного состояния, обусловленного действием локализованного, но длительного давления;

• значительной разгрузки при относительно небольшой площади и пр.

Чтобы оценить влияние разгрузки оснований разбираемых зданий на изменение физико-механических свойств грунтов, необходимо установить величину разуплотнения и зону, в пределах которой это разуплотнение происходит. С этой целью велись наблюдения за рядом зданий. Опытные полигоны были выбраны в районах с характерными грунтовыми условиями для центральной части Петербурга.

В методическом плане исследования заключались в следующем:

1. Для наблюдения за возможным подъемом фундаментов устанавливались стеновые марки и репер, который располагался за пределами зоны возможного разуплотнения.

2. Для определения самой зоны разуплотнения устанавливались глубинные марки при помощи специальной трубы-ключа с Г-образным пазом на конце. Одновременно этот ключ служил обсадной трубой. После погружения марки на заданную глубину он не вынимался, а лишь высвобождался из пазов.

3. Количество марок и глубина их погружения определялись размерами фундаментов и возможной зоной разуплотнения при снятии нагрузки выше обреза фундамента.

4. По мере разгрузки фиксировалось поднятие фундамента в различных точках. В отдельных местах с помощью глубинных марок оценивалась зона разуплотнения.

5. Состояние грунтов в основании фундаментов исследовалось в том числе полевыми методами (сопоставительные испытания статическим, динамическим зондированием, вращательным срезом крыльчаткой и винтовым штампом). Это позволяло получить также исходные данные для прогноза возможных деформаций зданий после реконструкции.

6. Исходя из надежного геотехнического прогноза в проект закладывались технологические приемы, способствующие улучшению работы оснований и фундаментов на разуплотненных грунтах.

7. Для исключения значительных нарушений структуры грунта можно вносить коррективы в технологическую последовательность ведения работ.

На рис. 2.15 приведены данные наблюдений по 8 маркам (1-8) за перемещением фундаментов разбираемого 6-этажного здания постройки 1896 г. На этих фундаментах после разборки стен было возведено 7-этажное здание. Фундаменты бутовые ленточные, ширина фундаментов по подошве - 1,54м, глубина заложения - 2,6м. Среднее давление по подошве составляло 0,28МПа. Величина разгрузки с учетом того, что сами фундаменты не разбирались, - 0,24МПа. В основании фундаментов залегали пески пылеватые, подстилаемые суглинками ленточными и супесями мягкопластичными. Как видно из данных наблюдений, приведенных на рис. 2.15, поднятие фундаментов началось лишь после снятия 3 этажей. Максимальный подъем (стеновая марка 3) составил 14,8мм. Было установлено, что даже на песчаных грунтах при снятии нагрузки имеет место неравномерное поднятие фундаментов.

Более полные наблюдения были проведены на опытной площадке, организованной перед разборкой здания по адресу ул.Рылеева, 39. Здесь давление по подошве составило 0,46МПа (при разгрузке 0,43МПа). На рис. 2.16 разбираемые здания (А₂ и А₃) заштрихованы. Ширина фундаментов разбираемых 5-этажных зданий составляла 0,8м. Для определения величины зоны уплотнения установлены глубинные марки.

Рис. 2.15. Результаты наблюдений за состоянием грунтов при

разборке шестиэтажного здания на ул. Белинского, 5:

1 - поднятие после разборки стен до обреза фундамента;

2 - поднятие после снятия нагрузки от 3 этажей; 3 - осадка через год после возведения нового здания на старом фундаменте (давление 0,33МПа); 4 - осадка за 5 лет эксплуатации здания

 

Рис. 2.16. Схема расположения разбираемых зданий

 

По данным инженерно-геологических изысканий обнаружено следующее напластование грунтов: сверху до глубины 0,7м залегал насыпной грунт, далее - слой серого пылеватого песка средней плотности, насыщенного водой. Мощность слоя - 2,5м. Ниже залегали супеси серые, пылеватые пластичные. Уровень подземных вод был обнаружен на глубине 1,0м от поверхности. При глубине заложения фундамента 1,05м в основании залегали пески пылеватые, подстилаемые супесями пластичными. Всего было установлено 5 марок (рис. 2.17).

Здесь же приведены данные наблюдений за подъемом фундамента и деформациями грунтов основания. Как видно, подъем фундаментов составил 15,4мм. Зона уплотнения распространилась на глубину 1,25м, или примерно на 1,7b, где b - ширина фундамента. Более 50% всей деформации пришлось на слой толщиной 0,5b. Значения модуля деформации при разгрузке, подсчитанные по формуле Шлейхера, и их изменения по глубине показаны на рис. 2.18.

Рис. 3.17. Размещения марок и результаты наблюдений за деформацией грунтов

Рис. 2.18. Изменение модуля общей деформации по глубине

Отметим отдельные интересные моменты, определяющие сроки и последовательность работ по реконструкции фундаментов на слабых грунтах.

Если невозможно сохранить фундамент из-за значительного износа, новые фундаменты должны устраиваться сразу же после разборки существующих. Такие работы желательно производить захватками последовательно, так как разрыв между разборкой существующих и устройством новых фундаментов приводит, как правило, к значительному ухудшению свойств грунтов. Так, например, на одной из опытных площадок (реконструкция здания на ул.Садовой,60) через 28 часов после разборки фундаментов плотные пылеватые пески превратились в водонасыщенную плывунную массу, не способную воспринимать нагрузку от нового здания.

Имея надежную исходную геотехническую информацию, можно выбирать наиболее рациональные и экономически целесообразные технологические приемы устройства оснований и фундаментов.