Изменение коэффициента пористости по глубине

Таблица 3.6

Глубина		Коэффициент пористости,%
зоны		Номер опыта
	1	2	3	4	5	6
z=0	6	14	26	-	18	16
z1=0,5b	11	12	18	8	3,5	3,0
z2=b	3	4	35	0	0	0

В литературе последних лет приводится большой экспериментальный материал о размерах сжимаемой зоны, распределениях вертикальных и горизонтальных напряжений по глубине под штампом, опытными фундаментами и фундаментами реальных зданий и сооружений. Не вдаваясь в анализ этих материалов, что является темой самостоятельных исследований, отметим лишь следующий момент, важный для практики реконструкции. Во многих случаях фактическая зона уплотнения по глубине меньше рассчитанной по СНиП 2.02.01-83* в 1,5 и более раз.

Анализируя имеющиеся данные, можно отметить следующее:

• глубина сжимаемой толщи и ширина зоны уплотнения изменяются пропорционально изменению давления;

• глубина сжимаемой толщи уменьшается с повышением модуля общей деформации грунта и увеличением глубины заложения подошвы фундамента;

• ширина зоны деформируемого грунта растет с увеличением площади фундамента.

Таким образом, в процессе длительного уплотнения грунтов основания возникают зоны, параметры которых зависят от типа грунта, величины уплотняющего давления, характера изменения этого давления за период эксплуатации, начальной плотности грунта и пр.

Для иллюстрации изменения коэффициента пористости можно привести данные по одному из объектов, обследованных автором главы в Петербурге (ул.Седова, д. 55). Как видно из рис. 2.6, непосредственно под подошвой коэффициент пористости грунта несколько меньше, чем на некотором расстоянии от фундамента (в данном случае на расстоянии 3b=3,6м). Ниже будут приведены примеры более подробного определения физико-механических характеристик в основании фундаментов реконструируемых зданий. Отметим, что отбор монолитов можно довольно успешно проводить в пылевато-глинистых грунтах (суглинках, глинах). Осложнен процесс отбора образцов ненарушенной структуры в супесях пластичных водонасыщенных и почти невозможен в песках пылеватых водонасыщенных. Здесь нужны специальные методики и приемы, преимущественно с использованием полевых методов испытания in situ.

Исследования многих авторов показывают, что за период строительства и последующей эксплуатации зданий увеличивается влажность на пятне застройки. Это увеличение более определенно проявляется для связных грунтов. Так, по данным А.Г. Ройтмана (1970), П.А. Коновалова (1980,1989), в среднем для пылевато-глинистых грунтов зафиксировано увеличение влажности на 13%. Из анализа многочисленных наблюдений был сделан вывод, что изменение влажности не зависит от давления и наиболее интенсивно происходит в первый период эксплуатации здания (20 - 30 лет).

Отмечается, что такое увеличение влажности для глинистых грунтов не влияет на устойчивость зданий. В табл. 2.7 приводятся данные по изменению влажности грунта в основании домов с разными сроками эксплуатации. Таблица дополнена данными, полученными автором этой главы в процессе обследований, проведенных в Петербурге

Рис.3.6. Изменение коэффициента

пористости е и удельного

веса γ под фундаментом здания

по ул Седова, 55 в Петербурге

на пылевато-глинистых грунтах. Как видно из табл. 3.7, увеличение влажности, в основном, достигает значительных величин. В ряде случаев твердые грунты переходят в пластичное состояние величин. В ряде случаев твердые грунты переходят в пластическое состояние. Нельзя согласиться с утверждением, что увеличение влажности не влияет на изменение несущей способности грунтов основания. В качестве примера можно привести аварийно-деформированное здание по пр. Стачек, 152 (см. табл. 2.7). Здесь с увеличением влажности суглинки фактически перешли в текучепластичное состояние. По данным изысканий, до строительства и в период обследования грунты около здания классифицировались как тугопластичные. Причиной обрушения заселенного жилого дома в феврале 1989г является целый комплекс факторов, анализ которых будет дан ниже. Но наглядно установлено, что такой фактор, как увеличение влажности, привел к снижению несущей способности грунтов основания. Фактически при обследовании в июле 1988г (за 6 месяцев до аварии) не было зафиксировано уплотненной зоны под фундаментом. Прогнозы деформаций были неблагоприятными, но предложенное расселение не было реализовано.

Изменение влажности в глинистых грунтах

Таблица 3.7

Срок	Естественная влажность
эксплуатации здания и его адрес	в естественном состоянии	под подошвой фундамента	изменение. %
Москва
5 - 20 лет, Татарский пр., 3 20 - 50 лет, Ольховская ул., 25 Более 50 лет, Владковский пр., 18, Владковский пр., 12	8,6 12 8,1 8	9,8 13 13 12	+13,9 + 8,5 + 60 +50
Санкт-Петербург
5 - 20 лет, Октябрьская наб., 112 20 - 50 лет, пр. Стачек. 152 Более 50 лет, Ломаная ул.,10	12 22 19	20 40 24	+ 66 + 81 + 26

Увеличение влажности может произойти по целому ряду причин. Известно, что угол внутреннего трения φ и сцепление с пылевато-глинистого грунта с увеличением влажности уменьшаются; снижается общее сопротивление грунта сдвигу. Н.Я Денисов отмечает, что увеличение влажности способствует разрушению некоторых структурных связей между частицами грунта. Согласно данным М. Н. Гольдштейна вследствие значительного удельного давления в точках контакта жестких песчаных частиц, раздавливающего пленку рыхлосвязанной воды, последняя "не играет сколь-нибудь существенной роли в механических свойствах песка". А. Я. Шведовым и В. Н. Буряковым (1981) установлено, что при увеличении влажности значительно повышается деформативность песка.

Таким образом, за период эксплуатации грунты в основании фундаментов испытывают внешние техногенные воздействия, что приводит к изменению их плотности и структуры. Это является причиной формирования со временем основания, обладающего определенными свойствами, отличными от свойств аналогичных грунтов в их естественном сложении. Как правило, наблюдается область локального уплотнения-упрочнения грунта, которая внутренне тоже неоднородна. Образование зон уплотнения-упрочнения происходит вследствие двух основных процессов, протекающих в водонасыщенных пылевато-глинистых грунтах под воздействием нагрузки: фильтрационной консолидации и ползучести грунтов основания. Этим проблемам посвящены многочисленные исследования.

Можно выделить ряд характерных особенностей процесса формирования уплотненной зоны оснований эксплуатируемых зданий:

• постепенное возрастание давления под подошвой фундамента при возведении здания, что ведет к изменению напряженного состояния основания, нарушению имеющихся структурных связей и уплотнению некоторого объема грунта;

• уплотнение грунта при постоянной нагрузке в послепостроечный период, дальнейшее нарастание деформаций грунта и стабилизация осадок через какой-то интервал времени;

• многолетнее обжатие стабилизированного основания.

При внесении каких-либо изменений (увеличении или снятии нагрузки, усилении фундаментов, искусственном улучшении свойств грунтов основания) формируется новая структура, новые зоны уплотнения-упрочнения. Это явилось предметом специальных исследований, важных для геотехнического прогноза поведения зданий после реконструкции.

Сотниковым, Е. С. Утеновым (1981), можно установить зависимость главных размеров зоны деформации - глубины Н_а и ширины b_а от ширины фундамента и структурной прочности грунта (рис. 2.7). Для квадратных и круглых в плане фундаментов размеры зоны уплотнения рекомендуется определять по зависимостям:

Н_а= (2.2)

b_а= (2.3)

Для ленточных фундаментов размеры зоны уплотнения определяют путем построения изобар нормальных напряжений и сравнения их со структурной прочностью.

Рис.2.7 Расчетная схема к определению осадки основания при увеличении нагрузки: 1 - фундамент; 2 - теоретическая эпюра уплотняющего давления; 3 - принятая эпюра; /. //, /// - неодинаково уплотненные объемы грунта в основании фундамента; IV- область основания из грунта природного сложения

Анализируя зависимости (2.2) и (2.3), полученные Е. С. Утеновым (1980) на основе данных штамповых испытаний, можно отметить, что зона уплотнения будет иметь вид, близкий к окружности. По данным исследования размеров зон уплотнения грунтов методом пространственного анализа натурных данных, выполненного А.Г.Ройтманом (1970) для суглинков туго-пластичных, установлено, что эти зоны по форме ближе всего к эллипсу.

При этом больший диаметр соответствует ширине, меньший - глубине развития зоны.

Таким образом, в порядке первого приближения теоретически можно оценить зоны уплотнения, что особенно важно для оценки технологичности и эффективности различных способов усиления фундаментов. В ряде случаев вполне приемлемыми могут оказаться варианты уширения подошвы фундаментов. В других случаях более эффективны технологические приемы, связанные с улучшением свойств грунтов в основании, и т.п.

Анализируемые данные крайне необходимы при использовании современных технологий, позволяющих целенаправленно формировать уплотненные и закрепленные зоны под фундаментом.