Full Text

На сегодняшний день в условиях плотной городской застройки одной из основных проблем является минимизация воздействия на существующие здания опасных факторов, вызывающих нарушение работы оснований и фундаментов. Одним из таких факторов, приводящих к существенному ухудшению механических и прочностных свойств грунтов основания, является их водонасыщение [1-5]. Существует множество причин, в результате которых может произойти водонасыщение грунтов: аварийное замачивание грунтов основания вследствие протечек из подземных коммуникаций; воздействие поверхностных вод, отводу которых часто не уделяется должного внимания; интенсивный подъем уровня грунтовых вод и др. Вопросами, связанными с изучением деформаций оснований фундаментов при изменении свойств грунтов и их недостаточной несущей способности, занимались такие ученые, как: Б.Н. Далматов, Н.А. Цытович, В.Б. Швец, В.И. Феклин, Л.К. Гинзбург, М.Ю. Абелев, Б.Л. Тарасов, Я.Д. Гильман, R. Katzenbach, E. Schultze и др. [6-9]. В данной статье рассматривается ухудшение характеристик грунтов основания в результате протечек из подземных коммуникаций. Как показали многочисленные наблюдения за изменениями свойств грунтов, различные грунты по-разному ведут себя при увлажнении. Для территории г. Перми весьма характерными являются основания, сложенные глинистыми грунтами. При замачивании глинистые грунты, как показывают исследования [1, 3-5, 8], меняют свою консистенцию, вследствие чего ухудшаются показатели прочностных и деформационных свойств. При снижении модуля деформации до 7 МПа такие грунты уже можно отнести к слабым. Значения прочностных и деформационных характеристик глинистого грунта, представленные в нормативной и справочной литературе, оказались противоречивыми. В связи с этим для анализа изменения и уточнения физико-механических, прочностных и деформационных свойств глинистого грунта мягкопластичной и текучей консистенций при увлажнении проведены лабораторные исследования. Лабораторные исследования были выполнены согласно ГОСТ 12248-2010 для образцов нарушенного сложения [11-13]. Для образцов глинистого грунта мягкопластичной консистенции показатель текучести был принят равным 0,68, для текучепластичной консистенции - 0,89. Основные физические характеристики исследуемого грунта представлены в табл. 1. Таблица 1 Физические характеристики грунта Table 1 Physical characteristics of soil Показатель Ед. измерения Значение Глинистый грунт текучепластичной консистенции Глинистый грунт мягкопластичной консистенции Весовая влажность w доли ед. 0,36 0,32 Плотность грунта г/см3 1,83 1,83 Удельный вес кН/м3 17,95 17,95 Плотность скелета грунта г/см3 1,35 1,39 Плотность мин. части грунта ρs г/см3 2,74 2,74 Пористость n % 50,89 49,40 Коэффициент пористости e доли ед. 1,04 0,98 Коэффициент водонасыщения Sr доли ед. 0,95 0,90 Полная влагоемкость грунта ωsat доли ед. 0,38 0,36 В ходе работы для определения прочностных и деформационных характеристик глинистого грунта проведены испытания методом компрессионного сжатия и методом одноплоскостного среза согласно ГОСТ 12248-2010. Испытания проводились на современном оборудовании с использованием измерительно-вычислительного комплекса АСИС - автоматизированной системы для определения прочностных и деформационных свойств грунта. Для компрессионных испытаний образцов грунта мягкопластичной консистенции были назначены следующие ступени нагружения: 25, 50, 100, 200 кПа, для образцов грунта текучепластичной консистенции - 12,5, 25, 50, 100, 200 кПа. По результатам компрессионных испытаний были определены модули деформации для каждой из консистенций глинистого грунта. Сдвиговое испытание проводилось по схеме неконсолидированного быстрого среза. Для определения значений угла внутреннего трения и удельного сцепления проводились испытания при различных значениях вертикального давления - 50, 100 и 150 кПа. После завершения испытаний была проведена статистическая обработка полученных данных согласно ГОСТ 20522-2012. Выявленные нормативные и расчетные характеристики грунтов представлены в табл. 2. Полученные нормативные значения характеристик глинистого грунта были сопоставлены со значениями, представленными в нормативной и справочной литературе, и сведены в табл. 3. Таблица 2 Нормативные и расчетные значения характеристик грунта на основе лабораторных испытаний Table 2 Regulatory and calculated values of soil characteristics based on laboratory tests Значение характеристик грунта Вид грунта Разновидность грунта Показатели механических свойств грунта Наименование Показатель текучести IL, доли ед. Удельное сцепление с, кПа Угол внутреннего трения φ, град Модуль деформации E, МПа Нормативное значение; расчетные значения: по I группе предельных состояний (I), по II группе предельных состояний (II) Глина Мягкопластичная 0,68 23,92 15,95(II) 19,14(I) 15,7 13,7(I) 14,3(II) 3,8 3,5(I, II) Текучепластичная 0,89 11,80 7,87(II) 9,44(I) 3,9 3,4(I) 3,5(II) 4,4 4,0(I, II) Таблица 3 Сравнение нормативных значений характеристик глинистого грунта Table 3 Comparison of regulatory values of clay soil characteristics Показатели свойств грунта Глинистый грунт мягкопластичной консистенции Глинистый грунт текучепластичной консистенции Лабораторные испытания Согласно табл. 14 [14] Согласно табл. А2, А3, СП 22.13330.2016 Лабораторные испытания Согласно табл. 14 [14] Согласно табл. А2, А3, СП 22.13330.2016 Показатель текучести IL, доли ед. 0,68 0,5-0,75 0,89 0,75-1,0 Удельное сцепление с, кПа 23,92 19,61 33,00 11,80 9,81 - Угол внутреннего трения φ, град 15,7 14,0 10,0 3,9 8,0 - Модуль деформации E, МПа 3,8 2,0 9,0 4,4 2,9 - Для показателей угла внутреннего трения и модуля деформации (см. табл. 2, 3) наблюдаются значительные расхождения между характеристиками нормативными и полученными в результате лабораторных испытаний, что говорит о необходимости проведения лабораторных исследований в каждом конкретном случае. Данные для текучепластичной консистенции глинистого грунта в СП 22.13330.2016 отсутствуют ввиду его непригодности для целей строительства. Полученные результаты были использованы для рассмотрения задачи по изучению наиболее неблагоприятного случая протечек из подземных коммуникаций для 5-этажного кирпичного здания с продольными и поперечными несущими стенами на ленточных фундаментах мелкого заложения. Выбор 5-этажного здания обусловлен тем, что в г. Перми значительная часть жилого фонда представлена старой застройкой 50-60 гг. прошлого столетия [15]. Как правило, это 5-этажные здания, имеющие значительную степень износа подземных коммуникаций. Как показали предварительные аналитические расчеты, ухудшение характеристик грунтов основания может привести к существенному снижению расчетного сопротивления грунта основания под подошвой фундамента. Поскольку замачивание грунтов основания под подошвой фундамента может происходить отдельными участками, для получения полной картины изменения напряженно-деформированного состояния массива грунта расчеты были выполнены в программном комплексе Plaxis с применением модели Мора - Кулона. Средняя нагрузка на обрез фундамента от наружных стен составляет 250 кН/м, от несущих внутренних - 300 кН/м. Расстояние между фундаментами - 6 м. Ширина области ухудшения свойств грунта - 4 м. Размеры подошвы фундаментов под стены принимались шириной 1,2 и 1,6 м. При численном моделировании для мягкопластичной и текучепластичной консистенций грунта были приняты физико-механические характеристики на основе результатов лабораторных испытаний, данные для тугопластичной и текучей консистенций грунта были приняты на основе значений, представленных в нормативной и справочной литературе (табл. 4). Характеристики материалов фундамента существующего здания приведены в табл. 5. Таблица 4 Расчетные значения характеристик глинистого грунта в программном комплексе Plaxis Table 4 Calculated values of clay soil characteristics using Plaxis software package Параметр Глинистый грунт тугопластичной консистенции (СП 22.13330.2016) Глинистый грунт мягкопластичной консистенции (лабораторные испытания) Глинистый грунт текучепластичной консистенции (лабораторные испытания) Глинистый грунт текучей консистенции, табл. 14 [4] Объемный вес грунта γunsat, кН/м3 18,10 17,95 17,95 17,80 Удельное сцепление сref, кПа 34,40 19,14 9,44 3,92 Угол внутреннего трении φ, град 14,50 14,30 3,50 5,45 Коэффициент Пуассона ν 0,38 0,40 0,41 0,42 Модуль общей деформации Е, МПа 13,60 3,50 4,00 2,67 Таблица 5 Характеристики материалов фундамента существующего здания Table 5 Characteristics of foundation materials of the existing building Параметр Стены фундамента Подошва фундамента Модель материала линейная линейная Вес γ, кН/м3 22 24 Модуль упругости E, МПа 1,5.104 1,7·104 Коэффициент Пуассона, n 0,17 0,17 Для каждого из вариантов расположения области ухудшения свойств грунта (рис. 1) были решены 4 задачи с разной глубиной замачивания грунта - от 0,5 м до 2 м. Осадка основания фундаментов фиксировалась в контрольных точках A-G, расположенных в соответствии с рис. 1. В ходе расчетов моделировалось постепенное ухудшение грунта основания вследствие водонасыщения. д г в б а Рис. 1. Расчетные схемы при замачивании грунта в основании 5-этажного кирпичного здания: а-д - варианты расположения областей замачивания; A-G - контрольные точки Fig. 1. Calculation schemes during soaking of soil at the base of a 5-storey brick building: a-e are the locations of soaking areas; A-G are control points Расчеты производились в 4 этапа по следующим технологическим стадиям: - этап 0 - задание начальных напряжений в грунте (весь грунтовый массив представлен глиной тугопластичной консистенции); - этап 1 - задание нагрузок от здания на грунтовый массив; - этап 2 - изменение характеристик грунта заданной области (переход глины из тугопластичной в мягкопластичную консистенцию); - этап 3 - изменение характеристик грунта заданной области (переход глины из мягкопластичной в текучепластичную консистенцию); - этап 4 - изменение характеристик грунта заданной области (переход глины из текучепластичной в текучую консистенцию). Максимальная осадка и относительная разность осадок основания фундаментов для каждого из рассматриваемых вариантов расположения области замачивания грунта приведены в табл. 6-11 (варианты 1-5 представлены на рис. 1, а-д соответственно). Таблица 6 Значения максимальной дополнительной осадки основания фундаментов в контрольных точках при переходе грунта области водонасыщения в мягкопластичную консистенцию Table 6 The values of the maximum additional settlement of soil’s foundation at control points during the transition of the soil’s water saturation region into the soft-plastic consistency Глубина замачивания грунта, м Максимальная осадка, см Максимальная осадка (Приложение К, СП 22.13330.2016), см Вариант 1 (т. С) Вариант 2 (т. С) Вариант 3 (т. С) Вариант 4 (т. F) Вариант 5 (т. F) 0,5 0,03 0,03 0,01 0,02 0,02 3,00 1,0 0,04 0,02 0,00 0,02 0,03 1,5 0,02 0,01 -0,01 0,00 0,03 2,0 0,00 0,01 -0,03 -0,01 0,00 Таблица 7 Значения относительной разности осадок основания фундаментов по осям «А» и «Б» при переходе грунта области водонасыщения в мягкопластичную консистенцию Table 7 Relative difference in the settlement of the foundation’s soil along the “A” and “B” axes during the transition of the soil’s water saturation region into the soft-plastic consistency Глубина замачивания грунта, м Относительная разность осадок Относительная разность осадок (Приложение К, СП 22.13330.2016) Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Вариант 5 0,5 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0015 1,0 0,0001 0,0000 0,0000 0,0000 0,0001 1,5 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 2,0 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 Таблица 8 Значения максимальной дополнительной осадки основания фундаментов в контрольных точках при переходе грунта области водонасыщения в текучепластичную консистенцию Table 8 Maximum additional settlement of foundation’s base at control points during the transition of the soil’s water saturation region into the fluid-plastic consistency Глубина замачивания грунта, м Максимальная осадка, см Максимальная осадка (Приложение К, СП 22.13330.2016), см Вариант 1 (т. С) Вариант 2 (т. С) Вариант 3 (т. С) Вариант 4 (т. F) Вариант 5 (т. F) 0,5 0,36 0,53 0,26 0,38 0,47 3,00 1,0 0,75 1,42 0,48 0,77 1,36 1,5 0,98 2,22 0,62 1,03 2,35 2,0 1,12 2,89 0,71 1,22 3,30 Таблица 9 Значения относительной разности осадок фундаментов по осям «А» и «Б» при переходе грунта области водонасыщения в текучепластичную консистенцию Table 9 Relative difference in the settlements of the foundations’ soil along the “A” and “B” axes during the transition of the soil’s water saturation region to the fluid-plastic consistency Глубина замачивания грунта, м Относительная разность осадок Относительная разность осадок (Приложение К, СП 22.13330.2016) Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Вариант 5 0,5 0,0005 0,0009 0,0004 0,0005 0,0008 0,0015 1,0 0,0011 0,0023 0,0007 0,0010 0,0023 1,5 0,0015 0,0037 0,0009 0,0013 0,0040 2,0 0,0017 0,0049 0,0011 0,0016 0,0056 Таблица 10 Значения максимальной дополнительной осадки основания фундаментов в контрольных точках при переходе грунта области водонасыщения в текучую консистенцию Table 10 Maximum additional settlement of foundations’ soil at control points during the transition of the soil’s water saturation region to the fluid consistency Глубина замачивания грунта, м Максимальная осадка, см Максимальная осадка (Приложение К, СП 22.13330.2016), см Вариант 1 (т. С) Вариант 2 (т. С) Вариант 3 (т. С) Вариант 4 (т. F) Вариант 5 (т. F) 0,5 0,44 0,58 0,29 0,42 0,50 3,00 1,0 0,87 1,54 0,54 0,85 1,42 1,5 1,15 2,40 0,70 1,13 2,44 2,0 1,28 3,17 0,81 1,34 3,33 Таблица 11 Значения относительной разности осадок основания фундаментов по осям «А» и «Б» при переходе грунта области водонасыщения в текучую консистенцию Table 11 Relative difference in the settlements of the foundations’soil along the “A” and “B” axes during the transition of the water saturation’s region into the fluid consistency Глубина замачивания грунта, м Относительная разность осадок Относительная разность осадок (Приложение К, СП 22.13330.2016) Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Вариант 5 0,5 0,0006 0,0009 0,0004 0,0005 0,0009 0,0015 1,0 0,0013 0,0025 0,0008 0,0011 0,0024 1,5 0,0018 0,0040 0,0011 0,0014 0,0041 2,0 0,0020 0,0053 0,0013 0,0018 0,0057 а б в г Рис. 2. Результаты численного моделирования для 2-го и 5-го вариантов расположения областей увлажнения грунта, представленных на рис. 1: а, б - деформационные схемы; в, г - схемы распределения напряжений в грунтовом массиве Fig. 2. Results of numerical modeling for the 2nd and 5th variants of location of soil soaking areas, presented in Fig. 1: a, b are deformation schemes; c, d - schemes of distribution of stresses in the soil massif Как видно из табл. 8, 9, осадка основания фундаментов существенно увеличивается при переходе глинистого грунта из мягкопластичной в текучепластичную консистенцию. Наихудшими из рассматриваемых выше вариантов расположения областей увлажнения грунта, при которых достигаются предельные значения деформаций, являются варианты 2 и 5 с центральным расположением областей замачивания под фундаментами наружных и внутренних несущих стен здания (рис. 2). Выводы 1. Нормативные значения деформационных и прочностных характеристик грунтов, приведенные в нормативной и справочной литературе, значительно различаются. Применение нормативных значений характеристик при подтоплении грунтов может привести к значительным ошибкам в расчетах. Для уточнения характеристик грунтов основания в каждом конкретном случае необходимо проведение лабораторных исследований. 2. При замачивании грунта основания фундаментов на глубину до 2 м, с учетом перехода глинистого грунта из тугопластичного в мягкопластичное состояние, значения дополнительных осадок основания фундаментов, а также относительной разности осадок фундаментов не превышают предельных значений. Наиболее опасным является переход глинистого грунта из мягкопластичной в текучепластичную консистенцию. 3. Наиболее неблагоприятными являются случаи замачивания основания, при которых подошва фундамента полностью расположена на слабом грунте, при переходе грунта в текучее состояние. В этом случае дополнительная осадка и относительная разность осадок превышает предельные значения, регламентируемые в СП 22.13330.2016. 4. Вследствие водонасыщения происходит изменение физико-механических характеристик и напряженно-деформированного состояния грунтов, а также нарушение эксплуатационной пригодности зданий и сооружений. Особенно опасным является процесс неравномерного ухудшения свойств основания фундаментов, что в ряде случаев может привести к аварийной ситуации.

About the authors

M. I Kudasheva

Perm National Research Polytechnic University

S. V Kaloshina

Perm National Research Polytechnic University

D. G Zolotozubov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 102

Refbacks

• There are currently no refbacks.