Исследование состояния грунтов под подошвой фундаментов с помощью современных экспресс-методов

Традиционно методика и объем обследования оснований и фундаментов определяются в зависимости от вида и сложности намечаемых работ (капитальный ремонт здания без увеличения нагрузки на основание; капитальный ремонт либо реконструкция с увеличением нагрузки на основание; восстановление аварийно-деформированных зданий с усилением либо без усиления системы "фундамент-основание"; строительство нового здания рядом с существующим), которые определяют геотехническую категорию объекта.

Материалы обследований позволяют ответить на следующие вопросы:

Могут ли существующие фундаменты обеспечить в дальнейшем нормальные условия эксплуатации здания (сооружения) или необходимо их усиление, переустройство.

В какой степени грунты в основании существующих фундаментов могут воспринимать дополнительные нагрузки.

Насколько допустимо увеличение нагрузки на полы по грунту или на поверхность около фундамента.

Можно ли осуществить пристройку нового здания к существующему.

Какая технология усиления оснований и фундаментов наиболее приемлема для рассматриваемого случая. Как устранить имеющиеся дефекты.

Какие конструкции могут быть сохранены, а какие подлежат разборке или восстановлению.

Как восстановить пространственную жесткость здания.

В задачу дополнительных изысканий входят уточнение и детализация ограниченных по размерам зон основания, находящихся в непосредственном контакте и взаимодействии с фундаментами. При организации и проведении изысканий для реконструкции следует учитывать:

• затрудненный доступ к основанию из-за наличия существующих несущих конструкций фундаментов, разборка и нарушение целостности которых недопустимы;

• необходимость сохранения сложения и напряженного состояния грунтов основания, так как они воспринимают эксплуатационную нагрузку от здания (сооружения);

• резкую местную изменчивость свойств грунтов в основаниях под подошвой фундаментов, для установления которой нужны методы, обеспечивающие непрерывность или высокую степень детальности изысканий;

• стесненные условия реконструируемых объектов, что накладывает жесткие ограничения на размеры и массу изыскательского оборудования.

Исследования оснований под фундаментами проходкой шурфов являются самым распространенным на настоящее время способом изысканий, применяемым при реконструкции. Шурфование позволяет осуществить визуальное изучение, пенетрацию грунтов, внедрение в грунт из шурфа различных измерительных и испытательных устройств, производить массовый отбор проб. На пробах, отобранных в шурфах, в лабораторных условиях могут быть определены показатели свойств грунтов, установлено изменение физико-механических характеристик в уплотненных зонах основания (как было показано выше).

Вскрытие основания большим количеством шурфов и выработок, большой объем отбираемых проб могут привести к его существенным нарушениям и ослаблениям. При малых же объемах шурфования проблематичным становится надежное обнаружение случайных неоднородностей и изменчивости свойств грунтов. Другой недостаток шурфования - его высокая трудоемкость, связанная с проведением работ в крайне сложных условиях (под нагруженными конструкциями), необходимостью крепления шурфов, водоотлива и водопонижения. Кроме того, шурфование с отбором проб чрезвычайно затруднено в водонасыщенных мелких и пылеватых песках, а также в пылевато-глинистых грунтах с показателем текучести I_L>0,5. Указанные обстоятельства делают метод шурфования трудоемким и недостаточно информативным для условий массовых изысканий при реконструкции на слабых грунтах.

Впервые подготовленный к изданию проект СНиП 2.01.13 "Реконструкция зданий и сооружений. Исходные данные для проектирования. Правила обследования конструкций и оснований" рекомендует производить откопку шурфов "ниже подошвы фундамента не менее чем на 2b, где b - ширина подошвы фундамента"...Таким образом, на слабых грунтах при ширине подошвы фундамента 3 - 4м и глубине заложения 2,0м общая глубина откопки составит 8 - 10м, что просто нереально. В то же время в проекте СНиПа в разделе по инженерно-геологическим изысканиям предлагается прогнозировать возможное изменение свойств грунтов под фундаментами разной ширины, глубины заложения, обобщать данные об уплотнении грунтов. Однако на сегодня нет четких методик, позволяющих получить такие исходные данные.

Несомненно, объемы и степень детализации данных по обследованию грунтов основания зависят от состояния конструкций и должны соответствовать цели предполагаемой реконструкции. Если имеют место деформации основных несущих конструкций или возникает необходимость значительного увеличения нагрузок, то объем обследования должен быть максимален.

Обследования должны быть быстрыми, с минимальным объемом земляных работ, информативными, позволяющими в последующем использовать наиболее прогрессивные численные методы расчета.

Анализируя мировой опыт организации инженерно-геологических изысканий для самых различных строительных целей, можно отметить как прогрессивные полевые опытные работы с использованием мобильного оборудования для испытания in situ.

Преимущества полевых экспресс-методов перед лабораторными в условиях реконструкции заключаются в следующем:

• они позволяют проводить исследования сравнительно большого массива грунта, включая структурно-неустойчивые грунты, где отбор монолитов практически невозможен;

• дают возможность получить близкие к фактическим данные при минимальной степени нарушения сложившегося за длительный период эксплуатации зданий состояния грунтов;

• имеется возможность при использовании специальных приемов оценить напряженно-деформированное состояние грунтов;

• способствуют получению информации, пригодной для использования современных численных методов расчета.

К недостаткам экспресс-методов можно отнести: фиксированный момент времени получения информации без учета сопутствующих, изменяющихся ситуаций и недостаточную изученность некоторых полевых методов. Эти недостатки можно устранить при проведении полевых испытаний в комплексе с лабораторными исследованиями грунтов и геотехническим прогнозом всех возможных ситуаций методом конечных элементов (МКЭ).

Анализируя разновидности полевых методов исследования грунтов и передовой опыт таких работ, накопленный в ФРГ, Голландии и странах северного Союза (Швеция, Дания, Финляндия, Норвегия и др.), для целей реконструкции на слабых грунтах можно рекомендовать: 1 -динамическое и статическое зондирование грунтов основания; 2 - зондирование с использованием системы крыльчаток для испытания грунта на вращательный срез; 3 - испытания грунтов винтовыми штампами.

Метод динамического зондирования с использованием легких зондов позволяет решать широкий круг вопросов как в песчаных, так и в глинистых грунтах. По результатам зондирования можно вычислить условное динамическое сопротивление грунта Р_д по формуле

Р _д = Аkφn/h (2.16)

где А - удельная энергия зондирования, определяемая по ГОСТ 19912-81; k - коэффициент учета потерь энергии при ударе молота и на упругие деформации штанг (kзависит от принятых интервалов зондирования и типа установки); φ - коэффициент, учитывающий потери энергии на трение штанг о грунт; h - глубина погружения зонда; п - число ударов молота на залог.

По результатам динамического зондирования можно, как минимум, оценить плотность сложения песчаных грунтов и в первом приближении оконтурить зоны уплотнения от длительно действующей нагрузки либо зоны разуплотнения при снятии нагрузки или каком-либо негативном техногенном воздействии. Кроме того, можно получить значение модуля деформации для пылевато-глинистых грунтов по формуле Е = 6р _д. Значение условного расчетного сопротивления (МПа) пылевато-глинистых грунтов определяется следующим образом:

Рд	1,0	3,0	5,0	7,0
Rо	0,1	0,25	0,4	0,55

Значения прочностных и деформационных свойств песчаных грунтов сведены в табл. 2.14. Данные динамического зондирования позволяют оценить динамическую устойчивость песков, что очень важно для специфических условий Петербурга, особенно его центральной части, сложенной песками пылеватыми и супесями. При постоянном вибрационном загрязнении среды возможны случаи разжижения песков под эксплуатируемыми зданиями.

 

Нормативный угол внутреннего трения (φ_н и нормативный модуль деформации Е _ндля песчаных грунтов

Таблица 3.14

 

Рд, МПа	Пески крупные и средние	Пески мелкие	Пески пылеватые
	φн,°	Ен, МПа	φн,°	Ен, МПа	φн,°	Ен, МПа
3,5 7,0 11,0 14,0 17,5	30 33 36 38 40 41	20- 16 26-21 39-34 49-44 55-50 60-55	28 30 33 35 37 38	13 19 29 35 40 45	26 28 30 32 34 35

Можно использовать показатель N - число стандартных ударов, необходимых для погружения зонда на глубину 10см: N = 10п/h.

Среднее значение числа ударов при погружении зонда на глубину 10см можно находить по методике Ю. С. Миренбурга и Л. Н. Хрусталева (1978) графоналитическим способом. Сущность его заключается в том, что площадь эпюры N в пределах слоя грунта соответствует работе, затраченной на погружение зонда. Таким образом, зная эпюру S_i и оценивая ее площадь с учетом мощности слоя h, можно получить значение N для конкретного выделенного слоя. Существуют различные системы обработки N, позволяющие при заданных условиях доверительной вероятности резко увеличить достоверность получаемых характеристик.

Кроме того, используя легкие переносные динамические зонды и наборные штанги, можно зондировать грунты в основании реконструируемых зданий через отверстия, пробуренные в теле фундамента.

Статическое зондирование широко применяется в мировой практике инженерно-геологических изысканий преимущественно для прогноза несущей способности свайных фундаментов.

Не вдаваясь в теорию статического зондирования (это является темой самостоятельных исследований большой группы ученых), отметим следующие моменты, характерные для использования метода в реконструкционной практике:

• используя специальные установки, можно выполнять зондирование на большую глубину с определением кровли плотных пород (морены), способных стать основанием для свай усиления;

• статическое зондирование позволяет выявить границы грунтов, различных по составу и состоянию;

• представляется возможным при зондировании через отверстия в ростверке установить фактическое сопротивление грунта (лобовое сопротивление - q₃ и трение по боковой поверхности - f₃) и откорректировать несущую способность сваи в основании реконструируемых зданий;

• при необходимости возможно зафиксировать уплотненные зоны (рис. 2.19) и оценить степень разуплотнения грунтов.

Как видно на рис. 2.19, зондирование выполняется в том числе и через существующий фундамент. Даже этот простейший пример указывает на возможность учета степени уплотнения-упрочнения грунта в основании зданий. Представляется возможным оценить прочностные и деформационные характеристики грунтов рядом с фундаментом и непосредственно в пределах сжимаемой толщи под подошвой.

Результаты испытаний показаны на графиках статического зондирования (см.рис. 2.19, б) как сопряженные отрезки прямых, характеризующих степень уплотнения-упрочнения грунта в основании реконструируемого фундамента. Можно выделить условные зоны и подзоны близкой степени уплотнения (/, // и III).

Рис. 3.19. Испытание грунтов в основании реконструируемых фундаментов статическим зондированием: а - выделенные уплотненные зоны; б - результаты испытаний зондом

 

М. А. Солодухин предлагает методику "инженерного сглаживания", которая достаточно проста и интересна для строительной практики, в частности, при решении геотехнических задач по реконструкции зданий на естественном основании и сваях. Так, например, используя эту методику, можно найти суммарное боковое сопротивление:

Q_В^н=Q^В₃+Нtgθ (2.17)

Значение Q^В₃ - суммарное сопротивление по подошве вышележащего слоя - находится из выражения

Q^В₃= (2.18)

а значение tgθ - по формуле

tgθ= (2.19)

где n - число принятых значений Q^В₃ (рис. 2.20) на соответствующих глубинах Н.

Значения q₃ и f₃ можно получить известными методами математической статистики.

Рис. 2.20. График статического зондирования характерных грунтов

Архангельска установкой С-979

С учетом относительной сложности и неопределенности метода "инженерного сглаживания" графиков автором этой главы совместно с Е. Н. Богдановым для практических целей предложена достаточно простая методика составления графиков для определения основных характеристик наиболее распространенных грунтов Петербурга на основе зондирования (рис. 2.21).

За последние 15 лет графики использовались при обследовании более чем 400 реконструируемых зданий. Выполненные расчеты по геотехническому прогнозу подтвердились многолетними данными натурных наблюдений за зданиями.

 

Рис. 2.21. Зависимости показателей основных физико-механических характеристик грунта от величин сопротивпения динамическому зондированию легкими забивными

зондами: а - пески крупные и средней крупности независимо от влажности;

б - пески мелкие водонасыщенные

Обработка данных зондирования осуществляется с помощью программы "zond" для работы на персональных компьютерах. Программа достаточно проста и доступна для применения в практике работы групп обследования проектных институтов и бюро.

Информативность способов зондирования существенно возрастает при комплексных и сопоставительных изысканиях на основе тарировки или использования корреляционных зависимостей между показателями зондирования и характеристиками физико-механических свойств грунтов, определенных на образцах в лаборатории. В каждом случае корреляционные зависимости устанавливаются для конкретных грунтов данного генетического типа по результатам параллельных изысканий зондированием и лабораторных испытаний.

Рис. 2.22. Зондирование лопастным зондом грунтов в основании фундамента: 1 - фундамент; 2 - стена; 3 - зонд; 4 - направления внедрения зонда; 5 - лопастной наконечник; б - сквозное отверстие, пробитое в фундаменте перфоратором; 7 - скважина для отбора проб; /, //, /// - зоны разной степени уплотнения-упрочнения (точками указаны места испытаний на вращательный срез)

Опыт применения различных методов зондирования, в том числе с лопастными зондами, для изысканий на объектах реконструкции был использован при разработке специальной методики обследования оснований эксплуатируемых зданий Методика реализована применительно к эксплуатируемым длительное время стабилизированным основаниям, сложенным типичными для Петербурга водонасыщенными сильносжимаемыми грунтами с низкими прочностными показателями (рис. 2.22).

 

Методика предусматривает, что в структуре грунтов отсутствуют цементационные и кристаллизационные связи, а связанность пылевато-глинистых грунтов определяется только молекулярными водно-коллоидными связями тиксотропного характера.

Для решения самых различных вопросов реконструкции зданий необходим анализ характера деформирования грунтов при нагрузке. Наиболее перспективными в стесненных условиях существующих подвалов оказались винтовые штампы. Они позволили установить деформационные свойства грунтов в основании зданий в непосредственной близости от существующих фундаментов.

Использование винтового штампа конструкции С. Н. Сотникова, В. Н. Бражник позволило на конкретных объектах реконструкции установить деформационные характеристики грунта для геотехнического прогноза, связанного с догружением грунтов при значительной надстройке. Кроме того, представилось возможным смоделировать ситуации, связанные с различным режимом нагружения и разгрузки.

Из множества объектов, подлежащих реконструкции, был выбран характерный, на котором предполагалось решить целый комплекс задач:

• увеличение нагрузки на существующие фундаменты в связи с планируемой надстройкой на 2 этажа;

• разборка дворовых флигелей с возведением на существующих фундаментах многоэтажного общежития (гостиницы);

• пристройка спортивного комплекса с универсальным спортивным залом;

• углубление существующих подвалов.

Опытная площадка находилась в Невском районе по ул.Седова,55. Испытания винтовыми штампами проводились из подвальных помещений, что исключало влияние погодных условий. Уровень поверхности пола находился на 0,9 м выше заложения подошвы ленточного фундамента под наружные стены.

Площадка сложена желтыми пылеватыми тугопластичными суглинками, с глубины 1,0м - слоистыми, а с глубины 3,6м - с прослойками серого суглинка и супесей пластичных. Мощность этого слоя достигала 4,0м. Ниже располагались ледниковые отложения, представленные пылеватыми серыми тугопластичными суглинками с редким мелким гравием. В процессе откопки шурфов и проходки скважин были отобраны монолиты, что позволило определить основные физико-механические характеристики грунтов. Анализ инженерно-геологических условий выявил необходимость проведения в числе других и штамповых испытаний. Используемый винтовой штамп состоял из центрального ствола, лопасти, загрузочной платформы и реперной системы. Диаметр лопасти 3,6см, что соответствует площади штампа 1000см².

Для измерения вертикальных перемещений грунта по глубине основания использовались глубинные марки (рис. 2.23). Они представляют собой стержень длиной 60мм с заостренным концом и с винтовой лопастью диаметром 35мм. Марки погружались после завинчивания штампа. При испытаниях строились традиционные графики "нагрузка-осадка" (рис. 2.24).

Модуль деформации грунтов на глубине 0,9м (глубина заложения фундамента) составил 1,7МПа, а на глубине 2,2м - 1,6МПа. Доля обратимых деформаций возрастала с глубиной: при испытаниях на верхнем горизонте она составила 13%, на нижнем - около 30%.

Рис. 2.23. Схема расстановки Рис. 2.24. Зависимость деформаций

глубинных марок у винтового штампа грунтов основания от давления

(испытание винтовым штампом) на

глубине 1,1м (1) и 2,2м (2)

 

Винтовой штамп позволил установить значение деформационных характеристик грунтов рядом с реконструируемым фундаментом и прогнозировать осадки здания после реконструкции. По предложенной методике были также подсчитаны осадки здания после проектируемого возведения новых стен на старых фундаментах.

Таким образом, винтовой штамп многофункционален и позволяет в комплексе с другими полевыми методами испытаний грунтов решать широкий круг реконструкционных задач, повышая информативность геотехнической системы.

Как показала многолетняя практика реконструкции на слабых грунтах, использование изложенной методики повышает надежность численных расчетов и позволяет совершенствовать технологические приемы реконструкции фундаментов.

 

3. МЕХАНИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ГРУНТА И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ОСНОВАНИЙ