Full Text

Ухудшение характеристик грунтов оснований зданий старой постройки, даже локальное, может привести к дополнительным деформациям фундаментов и, следовательно, нарушению эксплуатационной пригодности зданий и сооружений. В связи с этим производить работы по замене коммуникаций или другие земляные работы рядом с таким объектом следует с применением технологий, исключающих получение дальнейших дополнительных осадок существующего здания. Выполненные ранее исследования и проведенные аналитические расчеты показали, что ухудшение физико-механических характеристик грунтов основания фундамента при их водонасыщении приводит к значительному снижению его расчетного сопротивления [1-7]. Исследованиями, связанными с изучением деформаций оснований фундаментов при изменении свойств грунтов и их недостаточной несущей способности, в том числе при водонасыщении, занимались многие ученые, например Б.Н. Далматов, Н.А. Цытович, В.Б. Швец, М.Ю. Абелев, Б.Л. Тарасов, R. Katzenbach, E. Schultze и др. [8-11], что говорит об актуальности проведенных нами исследований. Численное моделирование было выполнено в программном комплексе Plaxis 2D с применением двух расчетных моделей: Мора - Кулона и упрочняющегося грунта. Моделирование работы грунтового основания проводилось для 5-этажного кирпичного здания на ленточных фундаментах мелкого заложения. Выбор именно такого типа здания обусловлен тем, что в г. Перми достаточно много домов старой застройки [7]. Такие здания, как правило, имеют значительную степень износа коммуникаций водоснабжения и канализации, что и приводит к замачиванию грунтов основания. В результате сбора нагрузок на обрез фундамента получили следующие значения: от наружных стен - 250 кН/м, от несущих внутренних - 300 кН/м. Ширина подошвы фундаментов составляет соответственно 1,2 и 1,6 м. Расстояние между фундаментами - 6 м. Ширина области ухудшения свойств грунта - 4 м. При проведении численного моделирования характеристики грунтов для мягкопластичной и текучепластичной консистенций грунта приняты на основе результатов лабораторных испытаний [1, 2, 12], для тугопластичной и текучей консистенций грунта - на основе значений, представленных в нормативной и справочной литературе (табл. 1, 2). Лабораторные исследования были выполнены по ГОСТ 12248-2010 для образцов нарушенного сложения [12-15]. Таблица 1 Расчетные значения характеристик глинистого грунта в программном комплексе Plaxis для модели упрочняющегося грунта Table 1 Calculated values of clay soil characteristics in the Plaxis software package for the Hardening soil model Параметр Глинистый грунт тугопластичной консистенции Глинистый грунт мягкопластичной консистенции Глинистый грунт текучепластичной консистенции Глинистый грунт текучей консистенции Объемный вес грунта γunsat, кН/м3 18,10 17,95 17,95 17,80 Удельное сцепление сref, кПа 35,10 34,98 19,06 7,92 Угол внутреннего трения φ, град 17,87 17,7 8,0 10,63 Коэффициент Пуассона при разгрузке νur 0,2 0,2 0,2 0,2 Отсчетное давление pref , кПа 100 100 100 100 Коэффициент горизонтальных напряжений при нормальной консолидации 0,693 0,696 0,658 0,781 Показатель зависимости модуля деформации от напряжений m 0,5 0,6 0,8 0,9 Секущий одометрический модуль деформации МПа 7,68 2,26 2,01 1,96 Секущий модуль деформации МПа 7,68 2,26 2,01 1,50 Модуль деформации при разгрузке - повторном нагружении МПа 30,72 9,04 7,32 5,60 Таблица 2 Расчетные значения характеристик глинистого грунта в программном комплексе Plaxis для модели Мора - Кулона Table 2 Calculated values of the characteristics of clay soil in the software package Plaxis for the model Mohr-Coulomb Параметр Глинистый грунт тугопластичной консистенции СП 22.13330 Глинистый грунт мягкопластичной консистенции (лабораторные испытания) Глинистый грунт текучепластичной консистенции (лабораторные испытания) Глинистый грунт текучей консистенции, табл. 14 СП 22.13330 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 трения φ, град 14,50 14,30 3,50 5,45 Коэффициент Пуассона ν 0,38 0,40 0,41 0,42 Модуль деформации Е, МПа 13,60 3,50 4,00 2,67 При выполнении численного моделирования были решены две задачи: 1. Траншея разрабатывается в непосредственной близости от существующего здания, в основании которого залегают глинистые грунты тугопластичной консистенции (рис. 1, а). 2. Траншея разрабатывается в непосредственной близости от существующего здания, в основании которого имеются области глинистого грунта с ухудшенными характеристиками, образовавшиеся в результате протечек из коммуникаций (рис. 1, б, в). Расстояние от фундаментов до траншеи было принято на основании нормативных данных (табл. 12.5 СП 42.13330.2016), например, для водопровода расстояние должно составлять не менее 5 м. Ширина траншеи была принята равной 1,5 м. Согласно СНиП 12-04-2002 в глинистых грунтах траншея глубиной до 1,5 м может быть выполнена с вертикальными стенками, траншея глубиной от 1,5 до 3 м должна быть выполнена с откосами. Первоначально каждая из указанных выше задач была решена для разработки траншеи с откосами без крепления стенок. Моделирование разработки траншеи рядом с существующим зданием без крепления стенок Численное моделирование было выполнено с применением модели Мора - Кулона. Решение задачи 1 предусматривало 2 этапа: Этап 0 - задание начальных напряжений в грунте (весь грунтовый массив представлен глиной тугопластичной консистенции). Этап 1 - приложение к грунтовому массиву нагрузок от здания. Этап 2 - моделирование разработки траншеи. а б в Рис. 1. Расчетные схемы определения дополнительных деформаций основания фундаментов существующего 5-этажного здания при разработке траншеи: а - при отсутствии в основании областей слабого грунта; б, в - варианты расположения областей замачивания, при которых наблюдается максимальные дополнительные деформации существующего здания; m - заложение откоса (m = 0 при глубине траншеи до 1,5 м, m = 0,25 при глубине более 1,5 м СНиП); A÷H - контрольные точки Fig. 1. Calculation schemes for determining additional deformations of the foundations of the existing 5-storey building in the development of the trench: a - in the absence of the base areas of weak soil; b, c - variants of the location of the soaking areas, in which there is a maximum additional deformation of the existing building; m - laying slope (m = 0 at a depth of the trench to 1,5 m, m = 0,25 at a depth of 1,5 m SNiP [24]); A÷H - control points При решении задачи 2 расчеты производились в 5 этапов по следующим технологическим стадиям: Этап 0 - задание начальных напряжений в грунте (весь грунтовый массив представлен глиной тугопластичной консистенции). Этап 1 - приложение к грунтовому массиву нагрузок от здания. Этап 2 - моделирование процесса замачивания грунта основания путем изменения характеристик грунта заданной области под подошвой фундамента существующего здания (переход глинистого грунта из тугопластичной в мягкопластичную консистенцию). Этап 3 - поэтапное моделирование ухудшения характеристик грунта заданной области под подошвой фундамента существующего здания (переход глинистого грунта из мягкопластичной в текучепластичную консистенцию). Этап 4 - поэтапное моделирование ухудшения характеристик грунта заданной области под подошвой фундамента существующего здания (переход глинистого грунта из текучепластичной в текучую консистенцию). Этап 5 - разработка траншеи. Расчеты выполнялись для наиболее неблагоприятных вариантов расположения областей замачивания грунта в основании существующего здания, при которых подошва фундамента полностью расположена на слабом грунте [2]. В ходе численного моделирования глубина разработки траншеи принималась равной 1, 2 и 3 м (см. рис. 1). Результаты численного моделирования были сведены в табл. 3, 4. Таблица 3 Значения максимальной дополнительной осадки основания фундаментов в контрольных точках Table 3 The maximum additional deformation of the foundation at the test points Глубина разработки траншеи, м Максимальная осадка основания фундаментов в контрольных точках, см Максимальная осадка (приложение К, СП 22.13330.2016), см Дополнительная осадка от разработки траншеи при отсутствии в основании областей увлажненного грунта в т. D (рис. 1, а) Дополнительная осадка от разработки траншеи при расположении области замачивания грунта под фундаментом по оси «А» в т. H (рис. 1, б) под фундаментом по оси «Б» в т. H (рис. 1, в) 1 2 3 4 5 1 0,01 0,03 0,02 3,00 2 0,03 0,62 0,11 3 0,06 2,92 0,43 Анализ результатов, представленных в табл. 3, 4, позволяет сделать следующие выводы: 1. Разработка траншеи не оказывает существенного влияния на дополнительные осадки основания существующего здания, сложенного глинистыми грунтами тугопластичной консистенции. 2. Наличие в основании фундаментов областей замачивания грунтов с ухудшенными характеристиками приводит к значительному увеличению дополнительной осадки при разработке траншеи. Величина максимальной дополнительной осадки приближается к предельному нормативному значению. При этом относительная разность осадок превышает предельное значение, регламентируемое СП 22.13330.2016, в 3 раза в случае расположения области замачивания под крайним фундаментом. 3. Существенное влияние на значение дополнительной осадки основания существующего здания оказывает глубина разрабатываемой выемки. Таблица 4 Значения относительной разности осадок фундаментов по осям «А» и «Б» Table 4 The values of the relative difference of the settlement foundations along the axes “A” and “B” Глубина разработки траншеи, м Относительная разность осадок основания фундаментов по осям «А» и «Б» Относительная разность осадок (приложение К, СП 22.13330.2016) Относительная разность осадок от разработки траншеи при отсутствии в основании областей увлажненного грунта (рис. 1, а) Относительная разность осадок от разработки траншеи при расположении области замачивания грунта под фундаментом по оси «А» (рис. 1, б) под фундаментом по оси «Б» (рис. 1, в) 1 2 3 4 5 1 0,0000 0,0000 0,0001 0,0015 2 0,0001 0,0010 0,0003 3 0,0001 0,0048 0,0008 4. Наихудшим вариантом является расположение области замачивания под крайним фундаментом, расположенным со стороны разработки траншеи (см. рис. 1, б). В этом случае наблюдается резкое увеличение дополнительной осадки и относительной разности осадок при глубине траншеи (3 м), превышающей глубину заложения фундаментов (2 м), что влечет за собой превышение нормативных значений относительной разности осадок фундаментов существующего здания. Моделирование влияния разработки траншеи с вертикальными стенками Приведенные выше результаты моделирования показывают, что значения относительной разности осадок превышают нормативные значения для случая расположения областей замачивания под крайним фундаментом существующего здания (см. табл. 4). Это означает, что при разработке траншеи вблизи здания могут развиться опасные деформации основания и может возникнуть аварийная ситуация. Следовательно, производить работы по замене коммуникаций рядом с таким объектом необходимо с применением технологий, исключающих получение дальнейших дополнительных осадок существующего здания. Также необходимо учитывать, что работы по замене коммуникаций часто приходится выполнять в весьма стесненных условиях. Поэтому было принято решение смоделировать разработку траншеи с вертикальными стенками с учетом их поэтапного закрепления. Для моделирования закрепления стенок траншеи были выбраны два варианта ограждения: 1. Горизонтально-сплошное, при котором стенки траншеи крепятся системой металлических стоек, деревянных щитов с обеих сторон и винтовых распорок (рис. 2, а); 2. Смешанное, предусматривающее крепление стенок траншеи с помощью металлического шпунта Л5 со стороны существующего здания и системой металлических стоек, деревянных щитов с противоположной стороны траншеи и применением горизонтальных инвентарных распорок (рис. 2, б). При решении задачи использовались те же модели грунта, что и в предыдущем случае: модель Мора - Кулона и модель упрочняющегося грунта. а Рис. 2. Схемы крепления вертикальных стенок траншеи: а - горизонтально-сплошное крепление стенок траншеи; б - смешанное крепление стенок траншеи; 1 - зона грунта с ухудшенными характеристиками; 2 - инвентарные винтовые распорки (труба 60´5); 3 - металлические стойки двутаврового сечения I10; 4 - деревянные доски размерами 50´1000´200 мм; 5 - обвязка швеллером [10]; 6 - шпунтовый ряд Ларсен Л5 Fig. 2. Schemes of fastening of the vertical walls of the trench and the horizontal solid fastening of the walls of the trench; b - mixed mounting of the walls of the tran-neck; 1 - zone soil degraded; 2 - inventory screw spacers (tube 60´5); 3 - metal I-beams I10; 4 - wooden board size 50´1000´200 mm; 5 - binding channel [10]; 6 - earth-retaining sheeting of Larsen L5 б Рис. 2. Окончание Fig. 2. End Характеристики материалов крепления траншеи представлены в табл. 5, 6. Расчеты производились в 8 этапов 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. Таблица 5 Характеристики материала ограждения траншеи Table 5 Characteristics of the fencing material of the trench Параметр Металлические стойки и деревянные щиты Металлический шпунт Ларсен Л5 Нормальная жесткость ЕА, кН 3,66∙105 6,10∙106 Изгибная жесткость EI, кНм2 5,32∙102 1,02∙105 Вес w, кН/м/м 0,40 2,33 Коэффициент Пуассона n 0,14 0,27 Таблица 6 Характеристики материала раскрепления ограждения траншеи Table 6 Characteristics of the material of the trench fencing unfastening № п/п Параметр Распорка 1 Сечение труба Труба 60´5 2 Площадь сечения А, м2 0,00053 3 Модуль упругости Е, кПа 2,1∙108 4 Нормальная жесткость ЕА, кН 1,1∙105 5 Шаг l, м 3 6 Коэффициент Пуассона n 0,27 Этап 2 - моделирование процесса замачивания грунта основания путем изменения характеристик грунта заданной области под подошвой фундамента существующего здания (переход глинистого грунта из тугопластичной в мягкопластичную консистенцию). Этап 3 - поэтапное моделирование ухудшения характеристик грунта заданной области под подошвой фундамента существующего здания (переход глинистого грунта из мягкопластичной в текучепластичную консистенцию). Этап 4 - поэтапное моделирование ухудшения характеристик грунта заданной области под подошвой фундамента существующего здания (переход глинистого грунта из текучепластичной в текучую консистенцию). Этап 5 - устройство ограждения траншеи. Этап 6 - выемка грунта из траншеи на глубину 1,5 м (1-я захватка). Этап 7 - устройство раскрепления траншеи. Этап 8 - выемка грунта из траншеи на глубину 3 м (2-я захватка). Результаты численного моделирования представлены в табл. 7, 8. Таблица 7 Значения максимальной дополнительной осадки основания фундаментов в контрольных точках при разработке траншеи глубиной 3 м, расположенной рядом с областью замачивания грунта под крайним фундаментом (см. рис. 1, б) Table 7 Values of the maximum additional settlement of the basis of the bases in control points at development of the trench depth of 3 m located near area of soaking of soil under the extreme base (Fig. 1, b) Модель грунта Максимальная осадка основания фундаментов в контрольных точках, см Максимальная осадка (приложение К, СП 22.13330.2016), см при отсутствии в основании областей увлажненного грунта (Задача 1) при наличии в основании областей увлажненного грунта (Задача 2) вертикальные стенки траншеи без закрепления смешанное крепление стенок траншеи (т. H) горизонтально-сплошное крепление стенок траншеи (т. H) Мора - Кулона 0,06 2,92 0,71 1,01 3,00 Упрочняющегося грунта 0,35 1,55 0,41 0,62 Таблица 8 Значения относительной разности осадок фундаментов по осям «А» и «Б» при разработке траншеи глубиной 3 м, расположенной рядом с областью замачивания грунта под крайним фундаментом (см. рис. 1, б) Table 8 The values of the relative difference between the settlement foundations along the axes “A” and “B” in the development of the trench depth of 3 m, located next to the area of soil soaking under the extreme foundation (Fig. 1, b) Модель грунта Относительная разность осадок основания фундаментов по осям «А» и «Б» Относительная разность осадок (Приложение К, СП 22.13330.2016) при отсутствии в основании областей увлажненного грунта (Задача 1) при наличии в основании областей увлажненного грунта (Задача 2) вертикальные стенки траншеи без закрепления смешанное крепление стенок траншеи горизонтально-сплошное крепление стенок траншеи Мора - Кулона 0,0001 0,0048 0,0012 0,0016 0,0015 Упрочняющегося грунта 0,0005 0,0025 0,0007 0,0010 Наличие в основании фундаментов существующего здания области увлажненного грунта с ухудшенными характеристиками приводит к значительному увеличению дополнительной осадки основания от разработки траншеи. Данное явление связано с тем, что при разработке траншеи грунт основания фундамента существующего здания вблизи выемки получает существенные горизонтальные деформации в сторону выемки, что, в свою очередь, вызывает разуплотнение грунта под ближайшим к траншее фундаментом и приводит к большим осадкам основания в этой зоне (рис. 3). а б в г Рис. 3. Деформационные схемы моделирования разработки траншеи при наличии в основании грунта с ухудшенными характеристиками: а, б - стенки траншеи без крепления с применением модели Мора - Кулона и упрочняющегося грунта соответственно; в, г - смешанное крепление стенок траншеи с применением модели Мора - Кулона и упрочняющегося грунта соответственно Fig. 3. Deformation schemes of simulation of the trench development in the presence of the base soil with degraded characteristics: a, b - the walls of the trench without fastening using the model of Mohr-Coulomb and hardening soil, respectively; c, d - mixed fastening of the walls of the trench using the model of Mohr-Coulomb and Hardening Soil При таком воздействии фактор наличия области слабого грунта под фундаментом вблизи выемки вызывает увеличение осадки основания фундамента и, как следствие, превышение предельного значения относительной разности осадок (см. табл. 8). По результатам моделирования в ПК Plaxis, крепление стенок траншеи позволило избежать превышения предельного значения дополнительной осадки основания фундаментов существующего здания. При этом относительная разность осадок находится в пределах нормативных значений, регламентируемых СП 22.13330.2016, в случае применения модели упрочняющегося грунта и превышает предельные значения при расчетах с применением модели Мора - Кулона в случае использования горизонтально-сплошного крепления стенок траншеи. Опыт применения моделей Мора - Кулона и упрочняющегося грунта другими авторами [Калошина С.В., Шаламова Е.А., Безгодов М.А. Особенности инженерных изысканий и геотехнического моделирования объектов в условиях плотной городской застройки // Академический вестник УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН. Екатеринбург: Изд-во РААСН, 2016. № 3. С. 72-78] показывает, что модель упрочняющегося грунта дает более адекватные результаты при разработке выемок. Таким образом, при условии проведения мониторинга за существующим зданием можно вести разработку траншеи с использованием горизонтально-сплошного крепления, которое является более экономичным по сравнению со смешанным. Выводы По результатам численного моделирования было установлено: 1. 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. 2. 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 СП 22.13330.2016. 3. Вследствие замачивания происходит изменение физико-механических характеристик и напряженно-деформированного состояния грунтов, что может привести к нарушению эксплуатационной пригодности зданий и сооружений. Особенно опасной является картина неравномерного ухудшения характеристик грунтов основания фундаментов. 4. Наличие в основании фундаментов существующего здания областей грунтов с ухудшенными характеристиками приводит к значительному увеличению значений дополнительной осадки от разработки траншеи, что влечет за собой необходимость закрепления стенок выемки. 5. При выполнении численного моделирования одной из наиболее важных задач является задача правильного выбора грунтовой модели. Использование модели упрочняющегося грунта при моделировании разработки траншеи позволило применить наиболее рациональный с экономической точки зрения вид ограждения котлована. 6. При обнаружении в основании существующей застройки областей грунта основания с ухудшенными характеристиками работы по замене коммуникаций должны производиться с креплением стенок выемки и сопровождаться мониторингом существующей застройки.

About the authors

S. V Kaloshina

Perm National Research Polytechnic University

M. I Kudasheva

Institute of Galurgy

D. G Zolotozubov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 169

Refbacks

• There are currently no refbacks.