Линейные расчетные модели стационарных процессов

В отечественной нормативной литературе регламентируется определение конечных осадок с использованием простейших моделей сред, в которых предполагается линейная связь между напряжениями и деформациями. В силу этого вводится понятие расчетного сопротивления грунта R, представляющего собой такое давление по подошве фундамента, при котором области предельного состояния развиваются на глубину не более 0,25b, где b - ширина подошвы фундамента. При нагрузках меньше R₁₂, как показывают многочисленные штамповые опыты, зависимость между осадкой и нагрузкой остается практически линейной.

Метод расчета осадок базируется на линейной теории упругости, в качестве параметров фигурируют модуль деформации Е (или коэффициент относительной сжимаемости т_ν) и коэффициент Пуассона ν. В связи с тем, что решение системы дифференциальных уравнений даже для линейно-деформируемой среды практически невозможно реализовать вручную, вводят ряд упрощений:

• нагрузку на основание полагают равномерно распределенной;

• осадку определяют для центральной точки пятна нагружения;

• для ограничения мощности сжимаемой толщи вводят эмпирические соотношения.

Среди упрощенных методов расчета наибольшее распространение получили методы: послойного суммирования, эквивалентного слоя Цытовича, слоя конечной толщины Егорова, ограниченной сжимаемой толщи Далматова.

Развитие инженерных методов расчета происходило по четырем основным направлениям:

1. Определение мощности активной сжимаемой толщи. Методы определения напряжений в грунтах основываются на соотношениях теории упругости для условий нагружения полупространства. Применяемая в инженерных методах процедура определения осадок по напряжениям, затухающим на бесконечном удалении от нагрузки, требует введения критериев ограничения сжимаемой толщи по глубине. В качестве таковых используют соотношение природного и дополнительного давлений, а также структурную прочность грунта.

Применение первого критерия при расчете осадок методом послойного суммирования может приводить к парадоксальным результатам: при одинаковых нагрузках осадка сплошной фундаментной плиты более чем вдвое превышает осадку ленточных фундаментов даже в том случае, если они занимают 60% площади плиты и учитывается взаимное влияние фундаментов.

Критерий структурной прочности представляется более обоснованным, поскольку зона уплотнения ограничивается поверхностью, на которой структурные связи не разрушаются.

2. Учет зависимости модуля деформации от действующих напряжений. В работах этого направления предлагается использовать реальную компрессионную зависимость для определения осадок. При этом в инженерных расчетах возникает противоречие между рассмотрением неоднородно сжимаемой среды и определением напряжений для условий постоянной сжимаемости грунтовой толщи.

3. Установление корреляционной зависимости между штамповым и компрессионным модулями деформации. Компрессионные испытания, как наиболее простые и дешевые, являются самым распространенным способом определения сжимаемости. Многие исследователи отмечали несовпадение реальных деформационных свойств грунта и свойств, определяемых в компрессионном приборе На основе сравнения компрессионных и штамповых модулей Агишев предложил ввести поправочные коэффициенты к модулю деформаций, определенному в компрессионном приборе. Эти коэффициенты повышают компрессионный модуль в 2 - 8 раз, что соответственно снижает прогнозируемую величину осадки.

Такой подход представляется весьма дискуссионным, поскольку компрессионный модуль деформации является конечным, равновесным параметром, отвечающим стабилизированному состоянию грунта, а штамповый модуль - мгновенным, начальным параметром, соответствующим нестабилизированному состоянию. В отличие от консолидированного опыта, где путь фильтрации воды из центра образца ничтожен, в натурных условиях за время проведения штампового эксперимента ничтожным следует считать скорее количество отжавшейся воды. Осадки в последнем случае обусловливаются не столько уплотнением, сколько деформациями формоизменения (выпора) грунта.

Применение коэффициентов Агишева при рассмотрении слабых глинистых грунтов представляется недопустимым, поскольку они приводят к уменьшению расчетной осадки, которая, как правило, и без учета этих коэффициентов оказывается существенно ниже наблюдаемой в реальности.

4. Учет природного напряженного состояния грунта. Этот вопрос связан с определением модуля деформации грунта. В инженерно-геологических изысканиях модуль деформации определяется по компрессионной кривой в интервале от нуля до проектного дополнительного давления. Многие исследователи предлагают учитывать природное напряженное состояние грунта, а именно: вес вышележащих слоев. Модуль деформации в этом случае определяют в интервале давлений от природного σ_zg, до суммарного (природного и дополнительного - σ_zg и σ_zр).

М. Б. Лисюк и А. В. Голли предложили моделировать в компрессионном опыте не только вертикальные, но и горизонтальные природные напряжения. Согласно другому предложению (И. Ф. Вотяков) характеристики грунта следует определять в диапазоне давлений от исходного давления предуплотнения σ _б, до полного σ_zg+σ_zр. Эти подходы справедливы только в том случае, если приложение исходного (природного) давления не приводит к нарушению структурных связей в грунте. В противном случае такие давления будут способствовать полному расструктуриванию грунта, претерпевшего частичное расструктуривание еще на стадиях отбора, транспортировки и хранения,

Опыты показывают, что при нагружении образцов слабого глинистого грунта природными напряжениями их относительные деформации могут достигать 10% с соответствующим изменением влажности, что никак не может приближать грунт к исходному природному состоянию.

В связи с этим более обоснованным представляется рассматривать всякое нагружение образца слабого глинистого грунта как дополнительное по отношению к нулевой точке отсчета, отвечающей исходному природному состоянию. Иными словами, при постановке опытов целесообразно исходить не из природного напряженного состояния, а из состояния естественного сложения, природной структуры грунта. При этом остается открытым вопрос о степени нарушения структурных связей в образце перед началом опыта.

Достоверное определение параметров грунта и учет его природного состояния актуальны для любой расчетной модели.

Геотехнический мониторинг

Наличие обоснованного конструктивного решения и щадящей технологии ведения работ является необходимым, но не достаточным условием успешного строительства. Как показывает практика, на процесс производства влияет множество дополнительных факторов: квалификация персонала, состояние техники, соблюдение регламента, щадящих технологических режимов ведения работ. Кроме этого, нельзя исключить и несоответствие расчетных схем, использованных при геотехническом обосновании рабочего проекта и проекта производства работ, реальным условиям работы грунта и конструкций.

Геотехнический мониторинг является инструментом оперативного управления производством работ нулевого цикла. В международной практике ни одна строительная площадка не обходится без мониторинга, который является также обязательным условием заключения договора о страховании строительного риска.

Цель геотехнического мониторинга - обеспечение надежности возводимой конструкции, сохранности окружающей застройки и коммуникаций.

Основной задачей мониторинга является фиксация превышений критериев безопасного ведения работ. Мониторинг оказывается эффективным в том случае, если осуществляющая его геотехническая организация наделена правом приостановки работ при обнаружении превышения установленных критериев.

В сферу мониторинга, помимо строительной площадки, попадают геологическая и гидрогеологическая среды, капитальная застройка и ответственные коммуникации, находящиеся в зоне риска, связанного со строительством или сложной реконструкцией объекта.

Объем и состав мониторинга зависят от категории геотехнической сложности строительства. Мониторинг проводится для категорий II и III и состоит из двух этапов - подготовительного и рабочего.

На подготовительном этапе выполняют следующие работы:

для геотехнической категории II:

• анализ исходной информации по результатам обследования застройки (освидетельствование технического состояния застройки в зоне действия мониторинга; фиксация дефектов, графическая фиксация и фотофиксация, составление ведомостей дефектов; определение фоновых параметров колебания конструкций зданий от имеющихся воздействий автомобильного транспорта, трамваев, метро, соседних производств и т.д., определение кренов стен зданий, неравномерности осадок);

• установку маяков и датчиков раскрытия трещин;

• установку геодезических марок с привязкой к городской реперной сети;

• установку пьезометров (режимных скважин) для контроля за уровнем грунтовых вод (для случаев устройства выработок ниже УГВ);

• уточнение проектных критериев по допустимым воздействиям;

для геотехнической категории III:

помимо работ, перечисленных выше, в наиболее сложных и ответственных случаях дополнительно устанавливают грунтовые геодезические марки, марки для измерения послойных деформаций, датчики порового давления, мессдозы вертикальных и горизонтальных напряжений.

На рабочем этапе мониторинга осуществляют:

для геотехнической категории II;

• визуальный контроль технического состояния конструкций окружающей застройки; контроль состояния маяков и датчиков на трещинах;

• геодезические измерения деформаций зданий;

• наблюдения за параметрами колебаний;

• фиксацию уровня грунтовых вод по пьезометрам;

• контроль за соблюдением геотехнического регламента работ;

• технический контроль за состоянием возведенных конструкций;

• контроль качества выполненных работ согласно требованиям нормативных документов, в том числе контроль сплошности свай в случае устройства свайных фундаментов;

для геотехнической категории III:

дополнительно к перечню работ, приведенному выше, для наиболее сложных случаев производят фиксацию показаний установленной контрольно-измерительной аппаратуры.

Геотехническое сопровождение всех этапов строительного процесса: предварительная оценка геотехнической ситуации на стадии рассмотрения инвестиционной привлекательности объекта, изыскания и геотехническое обоснование при разработке проекта, технологические испытания на опытной площадке для отработки щадящих технологических режимов, геотехнический мониторинг на стадии производства работ нулевого цикла - является непременным условием успешного осуществления строительства и реконструкции.