Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах Г. Элисты 12
1.1 Современные подходы к изучению свойств лессовых просадочных грунтов и прогнозу деформаций основания, сложенных такими грунтами 12
1.2 Деформации зданий и сооружений возведенных на лессовых просадочных грунтах г. Элисты 13
1.3. Анализ результатов исследований физико-механических свойств лессовых просадочных грунтов аварийных сооружений 26
1.4 Анализ результатов исследования деформации лессовых грунтов 31
Методы расчета основания, сложенного лессовыми грунтами 34
1.5 Постановка задачи диссертационного исследования 35
1.6 Выводы по главе 37
ГЛАВА 2. Оценка инженерно-геологических условий для территории Г. Элисты 38
2.1 Распространение лессовых грунтов на территории Калмыкии и в г. Элисте 38
2.2 Оценка деформационных характеристик лессовых просадочных грунтов для г. Элисты 45
2.3 Классификация грунтов основания по факторам, влияющим на их деформационные характеристики 56
2.4 Выводы по главе 63
ГЛАВА 3. Определения механических характеристик лессовых грунтов при изменении их влажности 65
3.1. Приборы и оборудования 65
3.2 Оценка влияния изменения влажности лессовых просадочных грунтов на их деформационные характеристики 73
3.3 Определение и анализ изменения структурной прочности лессовых грунтов в зависимости от влажности 84
3.4 Влияние влажности на изменение прочностных характеристик лессовых просадочных грунтов 92
3.5 Выводы по главе 97
ГЛАВА 4. Разработка методики прогноза деформации лессовых грунтов при изменении гидрогеологических условий 98
4.1 Анализ метода определения деформаций оснований фундаментов на лессовых просадочных грунтах 98
4.2 Разработка новой методики прогноза деформаций 103
4.3 Сопоставление данных прогнозов деформаций с данными натурных наблюдений 128
4.4 Выводы по главе 133
ГЛАВА 5. Разработка мероприятий по геотехнической защите застроенных территорий города элисты при подтоплении 135
5.1 Рекомендации и предложения по использованию результатов исследования лессовых просадочных грунтов в инженерной практике 135
5.2 Методика обследования зданий и проведение мониторинга на подтопленных территориях 1 5.3. Разработка специализированной геоинформационной системы для города Элисты 148
5.4. Разработка рекомендаций по обеспечению эксплуатационной надежности зданий и сооружений на застроенных лессовых территориях при подъеме уровня подземных вод 152
5.5 Выводы по главе 156
Основные выводы 157
библИографический список 159
- Деформации зданий и сооружений возведенных на лессовых просадочных грунтах г. Элисты
- Оценка деформационных характеристик лессовых просадочных грунтов для г. Элисты
- Оценка влияния изменения влажности лессовых просадочных грунтов на их деформационные характеристики
- Сопоставление данных прогнозов деформаций с данными натурных наблюдений
Деформации зданий и сооружений возведенных на лессовых просадочных грунтах г. Элисты
В современных условиях строительство зданий и сооружений, по мнению многих исследователей, нарушает природные режимообразующие факторы [4, 26, 34, 49, 50 и др.], в результате чего неизбежно замачивание грунтов основания. Анализ опыта эксплуатации зданий и сооружений позволяет выявить закономерности процесса увеличения влажности грунтов на застроенных территориях. Этот процесс является непрерывным, хотя в нем можно выделить ряд этапов. На первом этапе наиболее типично локальное увлажнение от точечного источника на ограниченном фронте. В последующем происходит слияние пятен с образованием единой увлажненной зоны. Прогрессирующий процесс накопления влаги может привести к формированию антропогенного водоносного горизонта с постепенным поднятием уровня подземных вод.
Локальное замачивание от отдельных источников может протекать кратковременно, периодически и длительно. При кратковременном воздействии увлажняется ограниченный объем грунта без существенного снижения несущей способности основания всего здания. Наиболее значительные изменения физико-механических свойств грунтов происходят при периодически повторяющемся замачивании и длительной фильтрации воды.
Условия строительства и эксплуатации зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах имеют ряд особенностей, связанных со структурной неустойчивостью этих грунтов при увлажнении. Кажущаяся изотропность этих массивов в маловлажном состоянии в результате увлажнения меняется, вызывая перераспределение гранулометрического и химического состава, изменяя характер пористости и физических свойств и т.п. Все это обусловливает величины просадочных деформаций, снижение прочностных параметров водопро 13 ницаемости, определяющей способность пород к переносу ингредиентов загрязнения, размываемости и т.д. [1, 12, 41, 68, 84 и др.].
Свойства лессовых просадочных грунтов определяют весьма частую значительную дефектность и аварийность промышленных, гражданских и гидромелиоративных сооружений [22, 25, 58, 59, 74 и др.], где особенно опасно подтопление промплощадок, сложенных просадочными макропористыми грунтами, у которых коэффициент фильтрации по вертикали в 5–10 раз больше, чем по горизонтали. Поэтому на таких площадях образуются куполообразные поднятия подземных вод, что наблюдается почти на всех промышленных объектах юга Европейской части России.
Изменение физико-механических свойств просадочных грунтов при замачивании и обводнении строительных площадок освещено в ряде работ [5, 50, 53, 86 и др.]. Большинство авторов, описывая характер протекающих процессов, отражают качественную сторону трансформаций, которая основана на сопоставлении характеристик физико-механических свойств грунта в природных условиях и при водонасыщении. Гораздо меньше было попыток осветить количественно степень происходящих изменений.
Отличительной особенностью лессовых просадочных грунтов является изменение их физико-механических свойств в процессе локального замачивания и подтопления застроенных территорий [1, 12, 58, 59 и др.].
Случаи неудачного проектирования, строительства и эксплуатации сооружений на лессовых грунтах зафиксированы в работах [25, 50, 57, 75, 93 и др.].
Опыт строительства промышленных и гражданских сооружений на лессовых грунтах показал, что вследствие локального замачивания и подтопления застроенных территорий нередко происходят недопустимые деформации и потеря несущей способности основания. Например, жилые здания и сооружения в г. Волгодонске и др. [50, 59], возведенные на лессовых просадочных грунтах, которые из-за развития процессов подтопления пришли в аварийное состояние. Известны случаи значительного уменьшения несущей способности основания, связанные с водонасыщением и изменением физико-механических свойств грунтов.
При локальном замачивании и подтоплении застроенных территорий механические свойства лессовых просадочных грунтов могут уменьшаться настолько, что происходят неравномерные просадки и очень легких сооружений.
В своих работах многие исследователи наблюдали потерю устойчивости зданий и сооружений, где выпор грунта из-под фундаментов произошел в результате подтопления застроенных территорий. Аналогичные случаи наблюдались нами и на территории Калмыкии и г. Элисты.
В последнее время в связи с дальнейшим строительством в г. Элисте сооружений с «мокрым» режимом эксплуатации (мойки для автомобилей, цеха по переработке мясной продукции и т.д.) можно ожидать увеличения количества аварийных объектов. Поэтому возникла необходимость в уточнении методик определения механических характеристик грунтов при изысканиях и при обследовании аварийных объектов.
Изменение влажностного режима лессовых грунтов на застроенных территориях. При строительстве зданий и сооружений нарушаются природные режимообразующие факторы, в результате чего, особенно в южных регионах РФ, неизбежно повышение влажности грунтов основания. Интенсивный подъем уровня подземных вод наблюдается и в черте городских застроек [12, 26, 49, 68, 84 и др.]. Он связан с нарушением природного стока поверхностных вод за счет засыпки оврагов, устройства насыпей и разрыхления грунта при отрыве траншей и котлованов, утечек из водонесущих систем, нарушений условий испарения и т.п.
Оценка деформационных характеристик лессовых просадочных грунтов для г. Элисты
Проницаемость грунтов. При изучении механических характеристик грунтов основания возникают вопросы изучения проницаемости грунтов в связи с перспективами роста объемов водохозяйственного строительства и угрозой подтопления застроенных территорий. Методы определения водонепроницаемости можно разделить на две группы – полевые и лабораторные. К первой относятся методы налива: в шурфы, кольца и котлованы, на слой, в скважины; ко второй группе – методы, основанные на применении фильтрационных приборов.
В процессе опытов изучались лессовые просадочные суглинки, отобранные с площадок в зоне предполагаемого подтопления территорий и на аварийных объектах. Грунты неводонасыщенные представляют многофазную систему. Следовательно, в опытах на водопроницаемость необходимо учитывать фазы грунта, влияющие на водопроницаемость (вода, воздух, водорастворимая минеральная часть и др.). Водорастворимые соединения, выщелачиваясь при фильтрации воды, увеличивают пористость, которая в то же время снижается под воздействием приложенной нагрузки. При анализе ранее проведенных исследований четкой закономерности не обнаружено.
На проницаемость грунтов существенно влияет нагрузка на образец, которая вызывает «закрытие активных пор», «защемление» воздуха, что приводит к снижению коэффициента фильтрации.
В лабораторных условиях опыты на фильтрацию нами проводились под арретиром и при постоянном градиенте напора с использованием компрессионно-фильтрационных приборов типа Ф-1М. При сравнении коэффициентов фильтрации, полученных в режиме нисходящего и восходящего потоков, результаты согласуются в пределах точности экспериментов.
Следовательно, усовершенствованная методика может быть использована для определения фильтрационных свойств лессовых просадочных грунтов региона. Деформационные характеристики. При проектировании сооружений на лессовых просадочных грунтах по принципу допущения замачивания и подтопления оснований необходимо знать величину возможной просадки фундаментов, которая используется для обоснованного проектирования фундаментов и, следовательно, обеспечения долговечности сооружения и нормальной его эксплуатации.
Анализ выполненных ранее работ по исследованию лессовых грунтов [3, 5 и др.] показал, что при водонасыщении под нагрузкой происходит уменьшение фильтрационной способности за счет уменьшения эффективной пористости. Указанное обстоятельство приводит к значительному удлинению сроков компрессионно-фильтрационных испытаний.
Задача нашего исследования заключалась в том, чтобы разработать методики для определения деформационных характеристик лессовых просадочных грунтов по кратковременным опытам и по физическим характеристикам, т.е. без проведения дорогостоящих полевых и длительных лабораторных испытаний.
При взаимодействии с пресной водой в результате водонасыщения и подтопления в лессовых грунтах меняются физико-механические свойства. С целью определения характера и величин возможных изменений на образцах ненарушенной структуры были проведены комплексные исследования свойств маловлажных грунтов в состоянии естественной плотности-влажности (Sr 0,5), влажных (0,5Sr 0,8), а также водонасыщенных грунтов (0,8Sr 1,0).
Как показали опыты, процесс деформируемости нагружаемого предварительно замоченного и водонасыщенного образца носит иной количественный и качественный характер, чем грунта, водонасыщаемого под нагрузкой. В случае водонасыщения образца без нагрузки проницаемость грунта увеличивается, и длительность испытания сокращается примерно в 2 3 раза.
В исследованных грунтах разброс опытных данных находится в пределах точности эксперимента, а относительные значения сжимаемости и модули деформаций зависят от нагрузки, типа грунта, степени влажности образца (табл. 2.4). При обработке экспериментальных данных подтвердились общие закономерности между с, (р, ssi,- нагрузкой и степенями влажности.
На графиках (рис. 2.2, 2.3, 2.4) показаны зависимости снижения модуля деформации от числа пластичности и степени влажности образцов. При малых величинах нагрузки до 50 кПа из-за структурной прочности грунты обладают высокими модулями деформации. При увеличении нагрузки равной 100-200 кПа модули деформации грунтов снижаются. И далее при увеличении нагрузки до 300 кПа - модуль увеличивается вследствие уплотнения грунта.
В предварительно замоченных и водонасыщенных образцах просадки оказались в 1,5-2 раза больше (табл. 2.4, рис. 2.5), чем при аналогичных испытаниях маловлажных образцов естественной плотности-влажности.
Оценка влияния изменения влажности лессовых просадочных грунтов на их деформационные характеристики
Относительная просадочность грунтов sSi зависит от давления на грунт Р, плотности маловлажного грунта pd, природной влажности W, числа пластичности 1р и используется для: определения мощности просадочного слоя; определ-ния типа грунтовых условий по просадочности; расчета величины ожидаемой просадки.
Начальная просадочная влажность wst - это влажность, при которой просадочные лессовые грунты, находящиеся в напряженном состоянии от внешней нагрузки фундаментов или собственного веса грунта, начинают проявлять просадочные свойства, термин заимствован из работы В.В. Крутова [56].
За критерий при определении величины начальной просадочной влажности в лабораторных условиях по аналогии с начальным просадочным давлением принимается относительная просадочность, равная ssj=0,01.
Методика определения начальной просадочной влажности в лабораторных условиях основывается на компрессионных испытаниях грунта по методу двух кривых, здесь исследуются образцы грунта, отобранные на двух площадках, расположенные рядом с обследованными объектами. Из монолита грунта вырезают 4-6 образцов. Один образец грунта испытывают при природной влажности с загрузкой отдельными ступенями до максимального давления (рис. 3.7 SV=0,31); при этом давлении грунт замачивают до стабилизации просадки. Второй образец вначале водонасыщается, а затем при непрерывном замачивании загружается теми же ступенями до максимального давления (рис. 3.7 Я=0,98). Остальные образцы испытывают в компрессионных приборах после предварительного повышения их влажности до величин, разделяющих предел изменения влажности от исходной до полного водонасыщения на более или менее равные интервалы (кривые с влажностью соответственно 0,46; 0,6; 0,72; 0,78).
Предварительно влажность образцов грунта повышают путем заливки в них расчетного количества воды с последующим выдерживанием их в эксика 76 торе в течение 1–3 суток для выравнивания влажности или путем пропарива-ния. По полученным результатам компрессионных испытаний строится график зависимости относительного сжатия от нагрузки при различных значениях влажности (рис. 3.7). На этот же график наносят вспомогательную кривую (пунктирная линия), параллельную кривой относительного сжатия при исходной влажности, соответствующую sl =0,01. По точкам пересечения этой кривой с кривыми относительного сжатия лессового грунта при различной влажности определяется давление на грунт, при котором величина начальной просадочной влажности равняется влажности испытуемого грунта. Полученные величины начальной просадочной влажности и соответствующих им давлений на грунт, равных в данном случае 230; 145; 103; 55; 25 кПа, используются для построения графиков зависимости относительной просадочности при этих давлениях от степени повышения влажности (рис. 3.11) и величины начальной просадочной влажности от давления (рис. 3.11).
Начальная просадочная влажность тесно связана с начальным просадоч-ным давлением. Для каждого давления на грунт величина начальной просадоч-ной влажности соответствует начальному просадочному давлению при влажности, равной начальной просадочной влажности. Обычно применяемое понятие начального просадочного давления для случаев полного водонасыщения лессового грунта обозначает минимальное давление на грунт при максимальном значении начальной просадочной влажности, соответствующей полному водона-сыщению.
Величина начальной просадочной влажности для различных видов определяется: - напряженным состоянием грунта под воздействием внешней нагрузки или собственного веса, которое при соответствующем снижении прочности грунта при его увлажнении способно преодолеть внутреннюю связность и прочность грунта, вызвать нарушение существующей структуры и просадку грунта; - степенью плотности, характеризующей потенциальную способность его к дополнительному уплотнению при увлажнении; - прочностью структурных связей грунта и степенью ее снижения при увлажнении до определенного состояния.
С увеличением давления на грунт величина начальной просадочной влажности уменьшается, а с уменьшением давления - возрастает. При увеличении объемной массы скелета грунта, а также сопротивления его сдвигу в водо-насыщенном состоянии начальная просадочная влажность прямо пропорционально возрастает, т. е. чем выше степень плотности и прочности грунта, тем большая нужна его степень влажности для того, чтобы при заданном давлении началось разрушение существующей структуры грунта и его просадка.
Начальная просадочная влажность в основном используется для определения возможности проявления просадки лессовых грунтов от собственного веса при повышении влажности не до полного водонасыщения, а также зависимости относительной просадочности от степени повышения влажности.
Учитывая, что просадка лессовых грунтов при любом давлении происходит только при повышении влажности выше начальной просадочной ws, относительную просадочность при повышении влажности рекомендуется вычислять w -w , по формуле = ( ,-0.01) + 0,01 w . .-w i (3.10) где д w - относительная просадочность при насыщении до заданной конечной влажности weq; wdp - то же, при полном водонасыщении; 0,01 - величина относительной просадочности, по которой определяется начальная влажность.
Сопоставление данных прогнозов деформаций с данными натурных наблюдений
Полученные результаты показывают, что после замачивания и во дон а-сыщения удельное сцепление с снижается в 1,5 и 1,6 раза, а угол внутреннего трения снижается в 1,2 и 1,5 раза соответственно. В условиях подтопления или длительной фильтрации воды через основание расчетные значения удельного веса грунта, залегающего выше (уи ) и ниже (уп) подошвы фундамента, следует определять по указаниям СП 22.13330.2011. Коэффициент условия работы грунтов основания ус1 рекомендуется принять равным 1,1, а коэффициенты работы здания и сооружения во взаимодействии с основанием ус2 принимаем равным 1. Коэффициент надежности Kz в случае определения прочностных характеристик в приборах плоскостного среза принимается равным 1,1.
Для количественной оценки расчетного сопротивления грунта основания в маловлажном, влажном и водонасыщенном состояниях рассмотрим примеры расчета.
Пример 4.5. Дан фундамент с размером /=й = 2 м и глубиной заложения dj=1,5м, основание сложено маловлажным лессовым суглинком. Удельные веса грунтов под подошвой фундамента и выше подошвы фундамента в маловлажном состоянии равны 17, 5, а влажного и водонасыщенного равны уИ = уп = 19, 120 4 кН/м3. Здание без подвала и, следовательно, d= 0. Ранее определили, что ус1 = 1,1, Ус2 = 1,K= 1,1,KZ= 1. 1. Определяем расчетное сопротивление грунта в мало влажном состоя нии. В результате опытов в приборах одноплоскостного среза получаем угол внутреннего трения (р= 26,4, а удельное сцепление с = 42 кПа, Mg=0,85, Mg=4,44, Мс = 7,01, после чего вычисляем расчетное сопротивление грунта по формуле (5.7) [89] Л1=1,11(0,85-1-2-17,5 + 4,44-1,5-17,5 + 7,01-42) = 440,72КЯа 1,1 2. При определении расчетного сопротивления при замачивании основа ния опыты проводим с образцами грунта во влажном состоянии и при этом по лучаем угол внутреннего трения (р=22,7 и удельное сцепление с = 28 кПа, без размерные коэффициенты Му=0,65, Mg=3,60, Мс = 6,16, после чего вычисляем расчетное сопротивление грунта R2 = 1,11 (0,65 1 2 19,4 + 3,60 -1,5-19,4 + 6,16 28) = 302,46к77а 1,1 3. Определение расчетного сопротивления в условиях водонасыщения грунта вычисляем после определения прочностных параметров грунта у = 19,4 кн/м2; с = 27 кПа; ср = 17,9, безразмерные коэффициенты М=0,42, М=2,71, М=5,27. Расчетное сопротивление вычисляем по формуле: R3 = 1,11 (0,42-1- 2-19,4 + 2,71-1,5-19,4 + 5,27 -27) = 237,45 кПа 1 Полученные результаты показывают, что расчетное сопротивление грунтов основания, сложенного лессовым суглинком, после локального замачивания и полного водонасыщения снижается соответственно в 1,46 и 1,86 раза по сравнению с расчетным сопротивлением маловлажного грунта.
Таким образом, были экспериментально получены значения расчетного сопротивления и коэффициенты снижения расчетного сопротивления для суглинков основания в маловлажном, влажном и водонасыщенном состоянии, которые были определены по единой методике и сведены в табл. 4.5.
Суглинки 440,7 302,5 237,4 0,69 0,54 где: RMm., Ren, Reod– расчетные сопротивления грунта соответственно в маловлажном, влажном и водонасыщенном состоянии. Расчет оснований по несущей способности, согласно формулы (11) СП 22.13330.2011, производится исходя из условий: F rc-FJr„, где F - расчетная нагрузка на основание; Fu - сила предельного сопротивления основания; у - коэффициент условия работы, принимаемый для пылевато-глинистых грунтов в стабилизированном состоянии; ус=0,9, а для пылевато-глинистых грунтов в нестабилизированном состоянии ус=0,85; уп - коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,2; 1,15 и 1,10 соответственно для зданий и сооружений I, II, III уровней ответственности.
Вертикальную составляющую сил предельного сопротивления Nu основания, сложенного нескальными грунтами в стабилизированном состоянии, допускается определять по формуле (16) СП 22.13330.2011.
Дан фундамент с размером 6x7=2 м и глубиной заложения dj=l,5 м. Основание сложено лессовым просадочным суглинком. Удельный вес грунта под подошвой фундамента и выше подошвы фундамента в маловлажном состоянии равен 17,5, а водонасыщенного равны уц=уп= 19,4 кН/м3.
Полученные результаты показывают, что несущая способность грунтов основания, сложенного лессовыми просадочными суглинками, во влажном и водонасыщенном состоянии снижается соответственно в 1,36 и 1,9 раза по сравнению с несущей способностью маловлажного грунта естественной плотности-влажности.
Если среднее давление оказалось больше предельного, то основание может разрушаться, тогда при расчете осадки необходимо учитывать пластическую составляющую.
В справочнике "Основания и фундаменты" под редакцией Г.И. Швецова [93] изложен метод расчета осадок оснований с развитыми областями предельного напряженного состояния грунта. В работе подчеркивается, что ограничение величины давлений на грунт по условию p R (4.12) приводит часто, особенно в случае плотных грунтов, к осадкам s, которые оказываются много меньше предельно допустимых su. При этом фундаменты получают не оправданно большие размеры, а основания имеют чрезмерные з а-пасы несущей способности. Согласно п. 5.6.7 СП [89], давление R, вычисленное по формуле (5.7), может быть увеличено в 1,2 раза, если осадки при p=R не превышают 40% предельно допустимых значений. Однако и повышение давления до p=1,2R не должно вызывать осадок, составляющих более 50% предельно допустимых величин. Давление/? не должно также превышать величину давления, отвечающего расчету основания по несущей способности. Таким образом, возможность достижения предельных величин осадок, согласно условию п. 5.6.5 s su, (4.13) в полной мере не используется, поскольку определяющими являются ограничения давления/? величинами R или 1,2R. Следовательно, условиями p R и p \,2-R целесообразно не ограничиваться, определяя их окончательно из условия (п. 5.6.6). С этой целью осадки основания, в том числе и при p R ( p \,2-R), предлагается определять из решения смешанной задачи теории упругости и пластичности грунтов, позволяющей получать результаты при наличии в основании одновременно областей допредельного и предельного напряженных состояний и произвольном соотношении между их размерами.
Похожие диссертации на Прогноз деформаций оснований фундаментов существующей застройки в процессе их эксплуатации (на примере города Элисты)
