Оценка надежности реконструируемого здания после его надстройки

При оценке стабильности восстановленных зданий и сооружений, сначала всего, необходимо решить задачу определения и описания условий эксплуатации их конструктивных элементов, материалы которых могут значительно изменяться под воздействием изменений внешней среды. Типичными материалами в этом случае являются грунты, которые служат основанием для сооружений.

В широком смысле грунтовое основание является важнейшим конструктивным эле-ментом, так как его разрушение или чрезмерная деформация чаще всего приводит к выходу из строя всего сооружения. Кроме того, грунты представляют собой сложные многофазные дис-персные системы, поэтому общеизвестны трудности, связанные с созданием моделей, достаточ-но точно описывающих их напряженно-деформированное состояние и пригодных для практиче-ских инженерных расчетов.

Целью исследования является оценка надежности реконструируемого здания после его надстройки для изменившихся грунтовых условий основания после поднятии уровня грунтовых вод и увеличения нагрузки на фундаменты и основания.

В задачу исследования входило по материалам обследования грунтов основания оценить, как изменились прочностные и деформационные характеристики грунта по срав-нению с проектными, проверить их прочность и эксплуатационную пригодность для рекон-струируемого здания и сделать вывод о причинах и различии в изменении свойств при уве-личении влажности грунтов основания.

2. Обзор и анализ научно-технической литературы.

В течение многих веков методы проектирования и строительства основывались поч-ти целиком на практическом опыте и эмпирических правилах. В те времена все грунты обычно делились на два вида: "мало сжимаемые" или "плотные" и "сильно сжимаемые" или "слабые". У первых сопротивление нагрузке было достаточно высоким, чтобы соору-жения, стоящие на них, существовали благополучно, не испытывая сколько-нибудь за-метных деформаций. Ко вторым относили грунты, на которых уже под небольшими давле-ниями происходили опасные по величине и неравномерности перемещения фундаментов, приводившие к значительным деформациям сооружений и даже к их разрушению.

Самыми прочными грунтами являются скальные горные породы, и, естественно, древние строители выбирали для тяжелых сооружений такие участки, на которых эти поро-ды выступали на поверхность или залегали неглубоко под ней. Все сохранившиеся до на-шего времени крупные сооружения древности также были построены на прочных, в основ-ном скальных, грунтах.

Когда же приходилось строить на слабых грунтах, на последние укладывали сплошные слои маловлажного грунта, которые уплотняли по мере отсыпки ногами прогонявшихся вперед и назад стад скота, а поверх этой, так называемой, "подушки" устраивалось многослойное мо-щение из камня или высушенных на солнце обожженных кирпичей, связанных с помощью битума. Однако подобное усиление слабых оснований нередко оказывалось недостаточным, и тяжелые здания разрушались из-за больших неравномерных осадок.

Фундаменты мостов при неглубокой воде устраивались в виде опиравшихся прямо на дно отсыпок из крупного камня или корзин с мелким камнем. Естественно, что мосты на таких опорах существовали недолго - до первого сколько-нибудь серьезного паводка. Поэтому строители предпочитали устраивать временные плавучие мосты - переправы.

В лесистых районах издавна стали укреплять слабые основания деревянными столба-ми-сваями, которые 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 удавалось. Римляне начали первыми опирать мосты на сваи, однако 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-жения и технологические методы их устройства. Так как эти фундаменты доводили до прочных мало сжимаемых грунтов, то проблема расчета осадок и устойчивости их оснований не возникала.

Частые случаи деформаций и повреждений зданий и сооружений, основанных на не-скальных грунтах, побуждали к поискам более эффективных методов обеспечения их долговеч-ности и надежности. Сначала строители пришли к выводу, что размеры фундаментов и нагрузки на них должны определяться в зависимости от прочности грунтов основания, полагая, что зна-чительные осадки, представляющие опасность для сооружения, являются результатом наруше-ния прочности грунтов. На основе опыта строительства и наблюдений за поведением сооруже-ний в большинстве стран были составлены таблицы так называемых "допускаемых давлений" на основания, сложенные различными грунтами.

Еще в конце XVIII в. прочность грунтов стали рассматривать как их сопротивление сдвигу. На этой основе Ш. Кулон в 1773 г. разработал способ расчета давления сползающего грунта на подпирающую его стенку. Затем основные положения расчета были использованы для определения сопротивления оснований разрушению при действии нагрузки от сооружения и для расчета устойчивости откосов и склонов.

Однако уже в первой половине XIX в. было установлено, 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 сплошной массив. В первой четверти XX в. К. Терцаги предложил метод расчета осадок вследствие уплотнения грунта и скорости их протекания. На базе этих ис-следований в 30-х годах XX в. создана наука Механика грунтов, включающая в себя расчет-но-теоретические основы фундаментостроения.

Большое значение в формировании и развитии российской школы фундаментострое-ния имели выдающиеся работы Н.М. Герсеванова, Н.П. Пузыревского по совершенствованию конструкций фундаментов и оснований и методов их расчета; исследования Н.Н. Маслова по развитию инженерной геологии и механики грунтов в приложении к строительству крупных гидротехнических сооружений; исследования по строительству инженерных сооружений в сложных геологических условиях: на вечной мерзлоте (М.И. Сумгин, Н.А. Цытович), на просадочных грунтах (Ю.М. Абелев, Н.Я. Денисов, Н.Н.Фролов и др.), в сейсмических районах (К.С. Завриев, Е.Ф. Саваренский), на мощных толщах водонасыщенных слабых или-стых грунтов (Б.Д. Васильев, Н.Н. Маслов). Освоению российскими инженерами методов ме-ханики грунтов особенно содействовали монографии Н.М. Герсеванова "Основы динамики грунтовой массы" (1937 г.) и учебники 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 Научно-исследовательский институт оснований и фундаментов, которому присвоено имя его создателя - Н.М. Герсеванова, руководившего разработкой первой официальной инструкции по испыта-ниям грунтов (1933 г.) и первых отечественных норм и технических условий на проектирование оснований сооружений (1938г.). Научно-исследовательские грунтовые лаборатории, созданные тогда же практически во всех крупных научно-исследовательских и учебных институтах строи-тельного, гидротехнического и транспортного профилей, также внесли существенный вклад в развитие механики грунтов.

Грунты - это любые горные породы и почвы, которые изучаются как многокомпонент-ные системы, изменяющиеся во времени, с целью познания их как объекта инженерной дея-тельности человека. Основным положением грунтоведения является положение о зависимости физико-механических свойств грунтов от их состава, структуры, текстуры и состояния (прежде всего от плотности - влажности). Прочные минеральные частицы, или агрегаты, и связанная с минералами вода образуют его основную часть - скелет. Свободная вода и газы заполняют по-ровое пространство. Связи между минеральными частицами скелета, процентное содержание частиц разных размеров, пористость и вещественный (минеральный) состав материала частиц являются классификационными характеристиками грунтов. В скальных и полускальных грунтах прочность связей соизмерима с прочностью минеральных зерен, а пористость чаще всего незна-чительна. В несвязных (сыпучих) грунтах, сложенных сравнительно крупными (различимыми невооруженным глазом) минеральными частицами, пористость значительна.

Наиболее сложными и изменчивыми свойствами обладают связные грунты, состоящие в основном из мельчайших частиц, соединенных в агрегаты, невидимые невооруженным глазом. Агрегаты соединены между собой эластичными водно-коллоидными или жесткими кристалли-зационными скелетными связями. Прочность их незначительна, несоизмерима с прочностью минеральных частиц скелета. Процентное содержание минеральных частиц разных размеров (гранулометрический состав) определяет классификацию отдельных грунтов, отнесенных к классам связных и несвязных (глины, суглинки, супеси, мелко- и крупнозернистые пески и т. д.).

Особенностью пористых, связных и сыпучих, грунтов является их способность изменять плотность при сжатии, что сближает их с газами. Однако в отличие от газов у грунтов объемная деформация лишь частично обратима.

Величина объемной деформации и ее необратимой составляющей зависит не только от нагрузки, но и от длительности воздействия. В зависимости от длительности действия нагрузки может иметь место одна из двух форм протекания уплотнения - консолидация или динамиче-ское сжатие. В обоих случаях необратимая объемная деформация происходит за счет уменьше-ния объема порового пространства и сопровождается переукладкой минеральных зерен скелета, разрушением структурных связей и образованием новых.

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

Прочность структурных связей в связных грунтах, от которых зависит протекание де-формации формоизменения и объемной деформации (обеих ее форм), может в десятки и даже сотни раз снижаться или возрастать с изменением влажности. Это определяется растворением солей, образующих жесткие кристаллизационные скелетные связи, и изменением толщины пле-нок водно-коллоидных связей.

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

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

Под основанием сооружения понимается массив грунта, деформирующийся от уси-лий, передаваемых на него фундаментами. Отсюда следует, что надежность оснований со-оружений нельзя рассматривать в отрыве от находящихся на них фундаментов и надзем-ных конструкций сооружений. Основание предназначено для восприятия нагрузок и других воздействий через фундаменты от надземной части сооружения, и возведение его самого по себе без сооружения и фундаментов лишено практического смысла. Поэтому под надежно-стью основания сооружения следует понимать, в сущности, надежность одного из элемен-тов системы основание - фундамент - надземная часть сооружения. При отсутствии обес-печенной надежности основания вся система является также ненадежной. Более того, нена-дежность основания вызывает, как правило, появление таких деформаций и напряжений в фундаментах и надземных конструкциях сооружения, при которых они становятся нена-дежными даже в том случае, если их надежность сама по себе (без учета влияния основа-ния) и была обеспечена. В то же время ненадежность фундаментов и надземных конструк-ций сооружения не оказывает обычно прямого влияния на надежность основания, если по-следняя была обеспечена в процессе проектирования с учетом всей совокупности дейст-вующих на нее нагрузок и других факторов.

Таким образом, обеспечение надежности работы основания следует рассматривать как способ обеспечения надежной работы всей системы основание - фундамент - надзем-ная часть сооружения. При этом критерий надежности двух элементов системы (фундамент - надземная часть сооружения) является главным критерием, удовлетворение которого обусловливает обеспечение надежности основания и всей системы в целом. Надежность ос-нования - это его способность воспринимать всю совокупность внешних воздействий (на-грузки, природно-климатические и технологические факторы) в течение заданного срока с обеспечением нормальной эксплуатации сооружения в целом и размещенного в нем обо-рудования.

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

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

Чем выше качество исходных данных, тем с большей достоверностью проектная надеж-ность основания сооружений приближается к эксплуатационной. В идеальном случае, при пол-ной адекватности содержания проектных расчетов действительным условиям работы основа-ний, проектный уровень надежности совпадает с эксплуатационным. Стремлением к этому от-мечены все поиски на пути усовершенствования как расчетных схем, так и методов получения исходных данных о показателях свойств грунтов оснований, нагрузках и воздействиях, выте-кающих, как правило, из содержания принимаемых расчетных схем и находящихся в тесном соответствии с ними. Понятие расчетной схемы системы "основание - фундамент-сооружение" включает в себя и совокупность всех исходных данных о грунтах, нагрузках и воз-действиях, необходимых для ее использования в процессе проектирования.

Важным аспектом обеспечения надежности основания является учет в расчетной схеме возможности изменения свойств грунтов в процессе эксплуатации сооружения в результате длительности воздействия эксплуатационных нагрузок, а также с изменением влажности.

4. Лабораторные исследования изменения свойств грунтов при повышении УГВ.

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

Образцы изготавливались путем приготовления 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 необходимого 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 образца суглинка с заданным проектным коэффициентом пористо-сти е = 0,6 и влажности W=12%, определили массу грунта следующим образом:
ms = d * Vгр , где Vгр - объем грунта в кольце, имеющего объем 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.

Затем образцы грунта замачивались до влажности W=27 %, которая соответствует полному водонасыщению грунта при поднятии УГВ. При увеличении влажности измени-лись физические характеристики грунта. Сравнение изменившихся физических показате-лей после увлажнения с их проектными показателями показаны в таблице №1.

Таблица №1

Сравнение физических характеристик глинистого грунта

Далее образцы, имитирующие грунты проектной влажности и пористости верхне-го слоя и с изменившейся влажностью и пористостью после увлажнения грунта при под-нятии уровня грунтовых вод под реконструируемым жилым домом, испытывали в одо-метре и в сдвиговом приборе.

Полученные результаты представлены в таблицах № 2 и 3.

Таблица №2

Компрессионные испытания грунтов

Таблица №3

Сдвиговые испытания грунтов

Анализируя полученные результаты, можно сделать выводы, что физико-механические характеристики грунта при его увлажнении существенно изменяются, а также значительно уменьшаются его прочностные и деформационные характеристики.

При изменившихся характеристиках грунта несущая способность основания уменьшает-ся, что необходимо учитывать при реконструкции фундаментов, так как при этом увеличивается и нагрузка на них.

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