Надежность фундаментов сооружений в зависимости от характеристик грунтов основания

При оценке надежности реконструируемых сооружений и зданий, в первую очередь, не-обходиморешение задачи по описанию и выявлению условий работы составляющих их конструкций из материалов, свойства которых смогут значительно меняться под влиянием действия изменившейся окружающей среды. Обычным материалом для того чтобы рода являются грунты оснований сооружений.

В широком смысле грунтовое основание есть наиболее значимым конструктивным эле-ментом, поскольку его разрушение либо чрезмерная деформация значительно чаще ведет к выходу из строя всего сооружения. Помимо этого, грунты являются сложные многофазные дис-персные совокупности, исходя из этого общеизвестны трудности, которые связаны с созданием моделей, достаточ-но совершенно верно обрисовывающих их напряженно-деформированное состояние и пригодных для практиче-ских инженерных расчетов.

Целью изучения есть оценка надежности реконструируемого строения по окончании его надстройки для изменившихся грунтовых условий основания по окончании поднятии уровня грунтовых увеличения и вод нагрузки на основания и фундаменты.Надежность фундаментов сооружений в зависимости от характеристик грунтов основания

В задачу изучения входило по данным обследованиягрунтов основания оценить, как изменились прочностные и деформационные характеристики грунта по срав-нению с проектными, проверить их прочность и эксплуатационную пригодность для рекон-струируемого строения и сделать вывод о различии и причинах в трансформации особенностей при уве-личении влажности грунтов основания.

2. анализ и Обзор техлитературы.

В течение многих столетий методыпроектирования и строительства основывались поч-ти полностью на эмпирических правилах и практическом опыте. В те времена все грунты в большинстве случаев делились на два вида: мало сжимаемые либо плотные и очень сильно сжимаемые либо не сильный. У первых сопротивление нагрузке было высоким, дабы соору-жения, стоящие на них,существовали благополучно,не испытываясколько-нибудь за-метных деформаций.Ко вторым относили грунты, на которых уже под маленькими давле-ниями происходили страшные по неравномерности и величине перемещения фундаментов, приводившие к большим деформациям сооружений а также к их разрушению.

Самыми прочными грунтами являются скальные горные породы, и, конечно, древние строители выбирали для тяжелых сооружений такие участки, на которых эти поро-ды выступали на поверхность либо залегали неглубоко под ней. Все сохранившиеся до на-шего времени большие сооружения древности кроме этого были выстроены на прочных, в баз-ном скальных, грунтах.

В то время, когда же приходилось строить на не сильный грунтах, на последние укладывали целые слои маловлажного грунта, каковые уплотняли по мере отсыпки ногами прогонявшихся вперед и назад стад скота, а поверх данной, так называемой, подушки устраивалось многослойное мо-щение из камня либо высушенных на солнце обожженных кирпичей, связанных посредством битума. Но подобное усиление не сильный оснований часто было недостаточным, и тяжелые строения разрушались из-за громадных неравномерных осадок.

Фундаменты мостов при поверхностной воде устраивались в виде опиравшихся прямо на дно отсыпок из большого камня либо корзин с небольшим камнем. Конечно, что мосты на таких опорах существовали недолго — до первого какое количество-нибудь важного паводка. Исходя из этого строители предпочитали устраивать временные плавучие мосты — переправы.

В лесистых районах с покон веков стали укреплять не сильный основания древесными столба-ми-сваями, каковые забивали в грунт на близком расстоянии друг от друга. Особенно глубоко сваи забивать тогда не могли, и если они не доходили до прочного грунта, избежать осадок не получалось. Римляне начали первыми опирать мосты на сваи, но им не всегда удавалось за-бить их на глубину, надежно предохранявшую от подмыва.

Параллельно со свайными фундамен-тами развивались и совершенствовались массивные конструкции фундаментов глубокого зало-технологические методы и жения их устройства. Так как эти фундаменты доводили до прочных мало сжимаемых грунтов, то устойчивости расчета и проблема осадок их оснований не появлялась.

Нередкие случаи деформаций и сооружений и повреждений зданий, основанных на не-скальных грунтах, побуждали к поискам более действенных способов обеспечения их долговеч-ности и надежности. Сперва строители заключили, что нагрузки и размеры фундаментов на них должны определяться в зависимости от прочности грунтов основания, полагая, что зна-чительные осадки, воображающие опасность для сооружения, результат наруше-ния прочности грунтов. На базе наблюдений и опыта строительства за поведением сооруже-ний в большинстве государств были составлены таблицы так называемых допускаемых давлений на основания, сложенные разными грунтами.

Еще в конце XVIII в. прочность грунтов стали рассматривать как их сопротивление сдвигу. На данной базе Ш. Кулон в 1773 г. создал метод расчета давления сползающего грунта на подпирающую его стенку. После этого главные положения расчета были использованы для определения сопротивления оснований разрушению при действии нагрузки от сооружения и для склонов устойчивости и расчёта откосов.

Но уже в первой половине XIX в. было обнаружено, что еще до наступления разру-шения основание испытывает осадки за счет уплотнения грунта под давлением сооружения. Во второй половине XIX в. была решена задача о распределении напряжений в основании, рас-сматриваемом как упругий целый массив. В первой четверти XX в. К. Терцаги внес предложение способ расчета осадок благодаря скорости и уплотнения грунта их протекания.

На базе этих ис-следований в 30-х годах XX в. создана наука Механика грунтов,включающая в себя расчет-но-теоретические базы фундаментостроения.

Громадное значение в развитии и формировании российскойшколы фундаментострое-нияимели выдающиеся работы Н.М. Герсеванова, Н.П. Пузыревского по совершенствованию оснований и конструкций фундаментов и способов их расчета; изучения Н.Н.

Маслова по формированию инженернойгеологии и механики грунтов в приложении к постройке больших гидротехническихсооружений; изучения по строительствуинженерных сооружений в непростых геологических условиях:на вечной мерзлоте (М.И.

Сумгин, Н.А. Цытович), на просадочныхгрунтах (Ю.М. Абелев, Н.Я.

Денисов, Н.Н.Фролов и др.), в сейсмическихрайонах (К.С.

Завриев, Е.Ф. Саваренский), на замечательных толщах водонасыщенных не сильный или-стых грунтов (Б.Д. Васильев, Н.Н.

Маслов). Освоению русскими инженерами способов ме-ханики грунтов особенно содействовали монографии Н.М. Герсеванова Базы динамики грунтовой массы (1937 г.) и книжки по механике грунтов Н.А.

Цытовича(1934 г.), Н.Н. Иванова, В.В.

Охотина и др.

В 30-ые годы в СССР был организован единственный тогда в мире НИИ фундаментов и оснований, которому присвоено имя его создателя — Н.М. Герсеванова, руководившего разработкой первой официальной инструкции по испыта-ниям грунтов (1933 г.) и первых технических условий и отечественных норм на проектирование оснований сооружений (1938г.). Научно-исследовательские грунтовые лаборатории, созданные тогда же фактически во всех больших научно-исследовательских и учебных университетах строи-тельного, гидротехнического и транспортного профилей, кроме этого внесли значительный вклад в развитие механики грунтов.

Грунты — это каждые почвы и горные породы, каковые изучаются как многокомпонент-ные совокупности, изменяющиеся во времени, с целью познания их как объекта инженерной дея-тельности человека. Главным положением грунтоведения есть положение о зависимости физико-механических особенностей грунтов от их состава, структуры, состояния и текстуры (в первую очередь от плотности — влажности). Прочные минеральные частицы, либо агрегаты, и связанная с минералами вода образуют его главную часть — скелет.

газы и Свободная вода заполняют по-ровое пространство. Связи между минеральными частицами скелета, процентное содержание частиц различных размеров, пористость и вещественный (минеральный) состав материала частиц являются классификационными чертями грунтов. В скальных и полускальных грунтах прочность связей соизмерима с прочностью минеральных зерен, а пористость значительно чаще незна-чительна.

В несвязных (сыпучих) грунтах, сложенных относительно большими (различимыми невооруженным глазом) минеральными частицами, пористость велика.

самые сложными и изменчивыми особенностями владеют связные грунты, состоящие преимущественно из небольших частиц, соединенных в агрегаты, невидимые невооруженным глазом. Агрегаты соединены между собой эластичными водно-коллоидными либо твёрдыми кристалли-зационными скелетными связями. Прочность их незначительна, несоизмерима с прочностью минеральных частиц скелета.

Процентное содержание минеральных частиц различных размеров (гранулометрический состав) определяет классификацию отдельных грунтов, отнесенных к классам связных и несвязных (глины, суглинки, супеси, мелко- и крупнозернистые пески и т. д.).

Изюминкой пористых, связных и сыпучих, грунтов есть их свойство изменять плотность при сжатии, что сближает их с газами. Но в отличие от газов у грунтов объемная деформация только частично обратима.

Величина объемной деформации и ее необратимой составляющей зависит не только от нагрузки, но и от длительности действия. В зависимости от длительности действия нагрузки может иметь место одна из двух форм протекания уплотнения — консолидация либо динамиче-ское сжатие. И в том и другом случае необратимая объемная деформация является следствием уменьше-ния количества порового пространства и сопровождается переукладкой минеральныхзерен скелета, разрушением структурных связей и образованием новых.

При консолидации уменьшение порового пространства сопровождаетсявытеснением из него воды и газов. скорость процесса и Величина деформации зависят не только от прочности и нагрузки скелетных связей, но и от водопроницаемости, определяемой гранулометрическим составом грунта. При этомвлажность грунта значительно уменьшается.

Прочность структурных связей в связных грунтах, от которых зависит протекание де-объёмной деформации и формации формоизменения (обеих ее форм), может в десятки а также много раз понижаться либо возрастать с трансформацией влажности. Это определяетсярастворением солей, образующих твёрдые кристаллизационные скелетные связи, и трансформацией толщины пле-нок водно-коллоидных связей.

Дискретность строениягрунтов и физико-механические характеристики их составных частей (фаз) определяют закономерности проявления физико-механических особенностей грунта в целом.

3.определения и Основные понятия. Факторы, определяющие надежность.

Под основанием сооружения понимается массив грунта, деформирующийся от уси-лий, передаваемых на него фундаментами. Из этого следует, что надежность оснований со-оружений нельзя рассматривать в отрыве от находящихся на них фундаментов и надзем-ных конструкций сооружений. Основание предназначено для других воздействий и восприятия нагрузок через фундаменты от надземной части сооружения, и возведение его самого по себе без фундаментов и сооружения лишено практического смысла.

Исходя из этого под надежно-стью основания сооружения направляться осознавать, в сущности, надежность одного из элемен-тов совокупности основание — фундамент — надземная часть сооружения. При отсутствии обес-печенной надежности основания вся совокупность есть кроме этого ненадежной.

Более того, нена-дежность основания вызывает, в большинстве случаев, появление таких напряжений и деформаций в надземных конструкциях и фундаментах сооружения, при которых они становятся нена-дежными кроме того в том случае, если их надежность сама по себе (не учитывая влияния база-ния) и была обеспечена. Одновременно с этим ненадежность фундаментов и надземных конструк-ций сооружения не оказывает в большинстве случаев прямого влияния на надежность основания, в случае если по-следняя была обеспечена в ходе проектирования с учетом всей совокупности дейст-вующих на нее других факторов и нагрузок.

Так, обеспечение надежности работы основания направляться разглядывать как метод обеспечения надежной работы всей совокупности основание — фундамент — надзем-ная часть сооружения. Наряду с этим критерий надежности двух элементов совокупности (фундамент — надземная часть сооружения) есть главным критерием, удовлетворение которого обусловливает всей надежности системы и обеспечение основания в целом. Надежность ос-нования — это его свойство принимать всю совокупность внешних действий (на-грузки, природно-климатические и технологические факторы) в течение заданного срока с обеспечением обычной эксплуатации сооружения в целом и размещенного в нем обо-рудования.

Главными факторами, определяющими в общем случае надежность оснований соору-жений, являются:

Количественное описание большей части из перечисленных факторов во всей слож-ности их сотрудничества на протяжении фактической работы оснований сооружений должно производиться с учетом изменчивости как строительных особенностей грунтов оснований, так и воздействий и нагрузок, которым они подвергаются через фундаменты от надземных кон-струкций. По указанной причине изучение закономерностей изменчивости физико-механических показателей особенностей грунтов, равно как воздействий и нагрузок, есть ответственной основой и предпосылкой обеспечения надежности оснований сооружений.

Чем выше уровень качества данных, тем с большей достоверностью проектная надеж-ность основания сооружений приближается к эксплуатационной. В совершенном случае, при пол-ной адекватности содержания проектных расчетов настоящим условиям работы база-ний, проектный уровень надежности сходится с эксплуатационным.

Рвением к этому от-мечены все поиски на пути усовершенствования как расчетных схем, так и способов получения данных о показателях особенностей грунтов оснований, воздействиях и нагрузках, выте-кающих, в большинстве случаев, из содержания принимаемых расчетных схем и находящихся в тесном соответствии с ними. Понятие расчетной схемы совокупности основание — фундамент-сооружение включает в себя и совокупность всех данных о грунтах, нагрузках и воз-действиях, нужных для ее применения в ходе проектирования.

Серьёзным нюансом обеспечения надежности основания есть учет в расчетной схеме возможности трансформации особенностей грунтов в ходе эксплуатации сооруженияв результате длительности действия эксплуатационных нагрузок, и с трансформацией влажности.

4. Лабораторные исследованияизменения свойствгрунтов при увеличении УГВ. Для характера изменения и понятия природы деформационных и прочностных ха-рактеристик грунта при увлажнении из-за увеличения УГВ нами были проделаны ком-прессионные и сдвиговые опробования суглинка. Нами были приготовлены образцы туго-пластичного суглинка, имеющего проектные влажность W =12 %, плотность частицs = 2,7 г/см3 и коэффициент пористости е = 0,6.

Образцы изготавливались методом изготовление пасты из суглинистого порошка, имеющего влажность на пределе пластичности Wp = 19 % и влажность на пределе текуче-сти WL = 31 %. Для этого из измельченного и просеянного через сито 0,01 мм воздушно-сухого грунта массой 50 г с добавлением нужного количества воды приготовили пасту. Величину влажности на пределе раскатывания и текучести определяем по формуле:

Wp,L = (mвс + mw — md) / md , где mвс — масса пробы воздушно-сухого грунта; mw — масса долитой к грунту воды; md — масса скелета грунта.

Для получения примера суглинка с заданным проектным коэффициентом пористо-сти е = 0,6 и влажности W=12%, выяснили массу грунта следующим образом:

ms =d * Vгр , где Vгр — количество грунта в кольце, имеющего количество равный 120 см3 ;

d — плотность сухого грунта, d =гр / ( 1 + W) = 1,89 / (1 + 0,12) = 1,69 т/м3;

ms = 1,69 * 120 = 202,8 г.

После этого образцы грунта замачивались до влажности W=27 %, которая соответствует полному водонасыщению грунта при поднятии УГВ. При повышении влажности поменяй-лись физические характеристики грунта. Сравнение изменившихся физических показате-лей по окончании увлажнения с их проектными показателями продемонстрированы в таблице №1.

Таблица №1

Сравнение физических черт глинистого грунта

Плотность, т/м3

Влажность, W, %

Плотность сухого грунта,rd,т/м3

проектная

существ

проектная

существ

проектная

существ

1.89

1.86

12.0

27.4

1.69

1.46

Далееобразцы, имитирующиегрунты пористости и проектной влажности верхне-го слоя и с изменившейся пористостью и влажностью по окончании увлажнения грунта при под-нятии уровня грунтовых вод под реконструируемым жилым домом, испытывалив одо-метре и в сдвиговом приборе.

Полученные результаты представлены в таблицах № 2 и 3.

Таблица №2

Компрессионные опробования грунтов

Вертикальное давление
Р, МПа

При природной влажности

При увлажнении грунта

Коэфф.пористости е

Модуль деформации Е, МПа

Коэфф.пористости е

Модуль деформации Е, МПа

0.00

0.6

16

0.846

10.25

0.05

0.595

0.837

20

11.54

0.10

0.591

0.829

22.8

13.2

0.20

0.584

0.815

26.6

16.8

0.30

0.578

0.804

Таблица №3

Сдвиговые опробования грунтов

Условие

сдвига

Вертикальная

нагрузка,
Р,МПа

Сдвигающее

упрочнение,
Т, МПа

Касат. напряжение,
т,МПа

Угол внутреннего трения,

Удельное сцепление
с, МПа

С природной влажностью

0.10

0.20

0.30

0.072

0.110

0.142

0.350

22

0.038

При замачивании водой

0.10

0.20

0.30

0.055

0.085

0.120

0.325

19

0.025

Разбирая полученные результаты, возможно сделать выводы, что физико-механические характеристики грунта при его увлажнении значительно изменяются, и существенно уменьшаются его прочностные и деформационные характеристики.

При изменившихся чертях грунта несущая свойство основания уменьшает-ся, что нужно учитывать при реконструкции фундаментов, поскольку наряду с этим возрастает и нагрузка на них.

Юрченко С.Г., фундаменты кафедры
и профессор Основания МГУП,
Компания B2Building

Рандомные показатели записей:

Расчетное сопротивление грунтов основания. Оценка осадки столбчатых фундаментов


Подборка наиболее релевантных статей: