Проектирование лессовых оснований длительно
эксплуатируемых зданий и сооружений
при их реконструкции
И.В. Носков,
к.т.н.,
доцент Алтайского государственного
технического университета им. И.И. Ползунова,
г. Барнаул
И.А. Корнеев,
к.т.н.,
доцент Алтайского государственного
технического университета им. И.И. Ползунова,
г. Барнаул
В настоящее время значительная часть старого жилого фонда, массовых серий застройки 50-60 годов, находится на грани
разрушения и условия проживания не соответствуют требованиям, предъявляемым к жилью. Количество таких зданий в
городе Барнауле достаточно велико. Кладка стен, их толщина, имеющееся остекление оконных проемов не соответствуют
требованиям действующей сегодня нормативной документации. Встает вопрос реконструкции этих зданий, который требует
проведения повторных инженерно-геологических изысканий под существующими зданиями. Основаниями этих зданий зачастую
являются лессовые просадочные грунты, которые охватывают значительную часть территории Барнаула.
При длительной эксплуатации в основании фундаментов зданий происходит изменение свойств лессового грунта,
которое обусловлено влиянием различных факторов. В первую очередь, это действие на основание давления
от массы здания, вызывающее уплотнение грунта. За счет уплотнения улучшаются обычно его физико-механические,
прочностные и деформационные свойства, что приводит к увеличению несущей способности основания.
Изменения свойств лессовых грунтов, залегающих в основании зданий, существенным образом зависят от минералогического,
гранулометрического состава, характера и интенсивности действия нагрузок.
Работу основания под действием длительных нагрузок от сооружений было бы неправильно характеризовать одним лишь
процессом уплотнения грунта, внешне проявляющемся в виде осадки сооружения. Наряду с уплотнением грунта в основаниях
происходят и более сложные явления, приводящие к изменению прочностных свойств грунтов. Установлено, что все процессы
в основании как качественно, так и количе-ственно зависят от длительности действия нагрузки и ряда факторов.
Следовательно, прогнозирование изменений прочностных и деформационных характеристик лессовых просадочных грунтов
территории Барнаула в основаниях длительно эксплуатируемых зданий является актуальной задачей.
Благодаря методам прогнозирования можно значительно уменьшить объем дорогостоящих повторных инженерно-геологических
изысканий и выполнить реконструкцию, в том числе увеличение этажности, зданий и сооружений без усиления существующих
фундаментов, что принесет существенный экономический эффект.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Проведение исследований изменения прочностных и деформационных характеристик лессовых просадочных грун-тов
(супесей) в основаниях зданий с различными (от 10 до 40 лет) сроками их эксплуатации.
2. Анализ микроструктуры лессовых просадочных грунтов непосредственно из-под подошвы фундаментов, в ненагруженной
зоне и при различных ступенях компрессионного уплотнения для зданий с различными сроками эксплуатации.
3. Определение средней прочности индивидуальных контактов между частицами грунта в основаниях длительно
эксплуатируемых зданий в зависимости от сроков их эксплуатации.
4. Выявление формирования новой структуры лессовых грунтов в основаниях длительно эксплуатируемых зданий.
5. Получение зависимостей изменения прочностных и деформационных характеристик лессовых просадочных грунтов
оснований
от сроков эксплуатации зданий и прогнозирование этих изменений.
Для экспериментальных исследований была выбрана площадка в г. Барнауле, ограниченная улицами Северо-Западной,
80-й Гвардейской Дивизии, Горно-Алтайской и проспектом им. В.И. Ленина.
Исследуемые здания на лессовых просадочных грунтах были выбраны по следующим признакам:
1. Все здания находились в пределах одной эксперимен-тальной площадки в непосредственной близости друг от друга
и в идентичных инженерно-геологических условиях.
2. Здания имеют различные сроки эксплуатации, начиная с жилых домов первых массовых серий застройки 50-60-х гг.,
заканчивая зданием, имеющим десятилетний срок эксплуатации (т.е. от 10 до 40 лет).
3. Все здания являются пятиэтажными жилыми зданиями с наличием подвального помещения, имеют идентичные се-рийные
конструкции ленточных фундаментов и близкое по величине давление на грунты основания, которое находится в пределах
от 0,25 до 0,30 МПа и не превышает расчетного сопротивления грунта.
Таблица 1
Изменения физико-механических характеристик лессовых грунтов (супесей)
г. Барнаула в зависимости от сроков эксплуатации зданий
После статистического обобщения усредненных физико-механических, прочностных и деформационных характеристик лессовых
просадочных супесей была составлена таблица их изменений (табл. 1).
Проведенные исследования лессовых грунтов (супесей) в основаниях длительно эксплуатируемых зданий г.
Барнаула естественной влажности позволили получить эмпирические зависимости с высокими коэффициентами корреляции,
что доказывает статистическую связь, близкую к функциональной.
Зависимости изменения характеристик
лессовых супесей территории г. Барнаула
в зависимости от сроков эксплуатации зданий
Срок эксплуатации от 0 до 20 лет
1. rt = r0 + mr Ч t, где:
rt – природная плотность грунта оснований в зависимости от сроков эксплуатации зданий – t, (г/см3);
r0 – начальная плотность грунта оснований, (г/см3);
mr – срок эксплуатации зданий, (года);
t – срок эксплуатации, (года).
2. et = e0 – mе Ч t, где:
et – коэффициент пористости грунта оснований в зависи-мости от сроков эксплуатации зданий – t, (дол. ед.);
e0 – начальный коэффициент пористости грунта основа-ний, (дол. ед.);
mе = 0,004.
3. Et0,1-0,3 = E00,1-0,3 + mЕ Ч t, где:
Et0,1-0,3 – модуль деформации грунта оснований в зависимости от сроков эксплуатации зданий – t, (МПа);
E00,1-0,3 – начальный модуль деформации грунта оснований, (МПа);
mЕ = 0,125.
4. ct = c0 + mc Ч t, где:
ct – удельное сцепление грунта оснований в зависимости от сроков эксплуатации зданий – t, (МПа);
c0 – начальное удельное сцепление грунта оснований, (МПа);
mЕ = 0,0002.
5. jt = j0 + mj Ч t, где
jt – угол внутреннего трения грунта оснований в зависи-мости от сроков эксплуатации зданий – t, (град.);
j0 – начальный угол внутреннего трения грунта оснований, (град.);
mф = 0,09.
6. Rt = R0 + mR Ч t, где:
Rt – расчетное сопротивление грунта оснований в зависимости от сроков эксплуатации зданий, (МПа);
R0 – начальное расчетное сопротивление грунта оснований, (МПа);
mR = 0,004;
mr, mе, mЕ, mс, mj, mR – коэффициенты, установленные экспериментально и показывающие изменение прочностных и деформационных характеристик грунта оснований в зависимости от сроков эксплуатации зданий.
Зависимости изменений характеристик
лессовых супесей г. Барнаула
от сроков эксплуатации зданий
Срок эксплуатации более 20 лет
(обозначения те же)
1. rt = r0 + mr Ч t, где mr = 0,003;
2. et = e0 – mе Ч t, где mе = 0,00053;
3. Et0,1-0,3 = E00,1-0,3 + mЕ Ч t, где mЕ = 0,057;
4. ct = c0 + mс Ч t, где mс = 0,00022;
5. jt = j0 + mj Ч t, где mj = 0,0387;
6. Rt = R0 + mR Ч t, где mR = 0,0023.
На основании выполненных исследований были сделаны следующие выводы:
1. Срок эксплуатации зданий коренным образом влияет на процесс дальнейшего формирования структуры лессового грунта.
До 15 лет эксплуатации зданий происходит интенсивное разрушение агрегатов, уменьшение общей пористости, сближение
структурных элементов с общей ориентацией за счет процессов уплотнения. После 20 лет происходит формирование новой
более прочной структуры, подтвержденное фундаментальными исследованиями микроструктуры, прочности индивидуальных
контактов и процессов разрушения агрегатов.
Выявлено, что до 20 лет эксплуатации зданий тип и класс структуры (по А.К. Ларионову) лессового грунта не изменяются
(скелетный, зернисто-пленчатый), с формированием новой микроструктуры изменяется ее тип (матричный),
но класс остается тем же.
2. Проведенные исследования позволили установить увеличение прочностных и снижение деформационных
характеристик в основаниях длительно эксплуатируемых зданий. При этом просадочные грунты оснований естественной
влажности становятся непросадочными лишь по достижению определенного срока эксплуатации (более 15 лет).
Синерезис (процесс старения) является основной причиной формирования новой структуры лессового грунта за счет
уменьшения толщины сульфатных оболочек под действием молекулярных сил притяжения между частицами при 20 годах эксплуатации.
С дальнейшим увеличением сроков эксплуатации зданий никаких существенных изменений не происходит.
3. Для лессовых грунтов оснований (супесей) установленные региональные (территория Барнаула) зависимости
изменения прочностных и деформационных характеристик от сроков эксплуатации зданий позволяют значительно
(до 40%) увеличить нагрузку на существующие фундаменты без их усиления и реконструкции.
4. Зависимости изменения характеристик лессовых грунтов оснований рекомендуются проектным организациям
для предварительных, а также окончательных расчетов фундаментов зданий до II класса включительно.
женной зоне и при различных ступенях компрессионного уплотнения для зданий с различными сроками эксплуатации.
3. Определение средней прочности индивидуальных контактов между частицами грунта в основаниях длительно эксплуатируемых
зданий в зависимости от сроков их эксплуатации.
4. Выявление формирования новой структуры лессовых грунтов в основаниях длительно эксплуатируемых зданий.
5. Получение зависимостей изменения прочностных и деформационных характеристик лессовых просадочных грунтов оснований
от сроков эксплуатации зданий и прогнозирование этих изменений.
Для экспериментальных исследований была выбрана площадка в г. Барнауле, ограниченная улицами Северо-Западной,
80-й Гвардейской Дивизии, Горно-Алтайской и проспектом им. В.И. Ленина.
Исследуемые здания на лессовых просадочных грунтах были выбраны по следующим признакам:
1. Все здания находились в пределах одной эксперимен-тальной площадки в непосредственной близости друг
от друга и в идентичных инженерно-геологических условиях.
2. Здания имеют различные сроки эксплуатации, начиная с жилых домов первых массовых серий застройки
50-60-х гг., заканчивая зданием, имеющим десятилетний срок эксплуатации (т.е. от 10 до 40 лет).
3. Все здания являются пятиэтажными жилыми зданиями с наличием подвального помещения, имеют идентичные с
серийные конструкции ленточных фундаментов и близкое по величине давление на грунты основания, которое находится
в пределах от 0,25 до 0,30 МПа и не превышает расчетного сопротивления грунта.
После статистического обобщения усредненных физико-механических, прочностных и деформационных характеристик
лессовых просадочных супесей была составлена таблица их изменений (табл. 1).
Проведенные исследования лессовых грунтов (супесей) в основаниях длительно эксплуатируемых зданий
г. Барнаула естественной влажности позволили получить эмпирические зависимости с высокими коэффициентами корреляции,
что доказывает статистическую связь, близкую к функциональной.
Зависимости изменения характеристик
лессовых супесей территории г. Барнаула
в зависимости от сроков эксплуатации зданий
Срок эксплуатации от 0 до 20 лет
1. rt = r0 + mr Ч t, где:
rt – природная плотность грунта оснований в зависимости от сроков эксплуатации зданий – t, (г/см3);
r0 – начальная плотность грунта оснований, (г/см3);
mr – срок эксплуатации зданий, (года);
t – срок эксплуатации, (года).
2. et = e0 – mе Ч t, где:
et – коэффициент пористости грунта оснований в зависи-мости от сроков эксплуатации зданий – t, (дол. ед.);
e0 – начальный коэффициент пористости грунта основа-ний, (дол. ед.);
mе = 0,004.
3. Et0,1-0,3 = E00,1-0,3 + mЕ Ч t, где:
Et0,1-0,3 – модуль деформации грунта оснований в зависимости от сроков эксплуатации зданий – t, (МПа);
E00,1-0,3 – начальный модуль деформации грунта оснований, (МПа);
mЕ = 0,125.
4. ct = c0 + mc Ч t, где:
ct – удельное сцепление грунта оснований в зависимости от сроков эксплуатации зданий – t, (МПа);
c0 – начальное удельное сцепление грунта оснований, (МПа);
mЕ = 0,0002.
5. jt = j0 + mj Ч t, где:
jt – угол внутреннего трения грунта оснований в зависи-мости от сроков эксплуатации зданий – t, (град.);
j0 – начальный угол внутреннего трения грунта оснований, (град.);
mф = 0,09.
6. Rt = R0 + mR Ч t, где:
Rt – расчетное сопротивление грунта оснований в зависимости от сроков эксплуатации зданий, (МПа);
R0 – начальное расчетное сопротивление грунта оснований, (МПа);
mR = 0,004;
mr, mе, mЕ, mс, mj, mR – коэффициенты, установленные экспериментально и показывающие изменение прочностных
и деформационных характеристик грунта оснований в зависимости от сроков эксплуатации зданий.
Зависимости изменений характеристик
лессовых супесей г. Барнаула
от сроков эксплуатации зданий
Срок эксплуатации более 20 лет
(обозначения те же)
1. rt = r0 + mr Ч t, где mr = 0,003;
2. et = e0 – mе Ч t, где mе = 0,00053;
3. Et0,1-0,3 = E00,1-0,3
+ mЕ Ч t, где mЕ = 0,057;
4. ct = c0 + mс Ч t, где mс = 0,00022;
5. jt = j0 + mj Ч t, где mj = 0,0387;
6. Rt = R0 + mR Ч t, где mR = 0,0023.
На основании выполненных исследований были сделаны следующие выводы:
1. Срок эксплуатации зданий коренным образом влияет на процесс дальнейшего формирования структуры лессового грунта.
До 15 лет эксплуатации зданий происходит интенсивное разрушение агрегатов, уменьшение общей пористости, сближение
структурных элементов с общей ориентацией за счет процессов уплотнения. После 20 лет происходит формирование новой
более прочной структуры, подтвержденное фундаментальными исследованиями микроструктуры, прочности индивидуальных
контактов и процессов разрушения агрегатов.
Выявлено, что до 20 лет эксплуатации зданий тип и класс структуры (по А.К. Ларионову) лессового грунта
не изменяются (скелетный, зернисто-пленчатый), с формированием новой микроструктуры изменяется ее тип (матричный),
но класс остается тем же.
2. Проведенные исследования позволили установить увеличение прочностных и снижение деформационных характеристик в основаниях длительно эксплуатируемых зданий. При этом просадочные грунты оснований естественной влажности становятся непросадочными лишь по достижению определенного срока эксплуатации (более 15 лет). Синерезис (процесс старения) является основной причиной формирования новой структуры лессового грунта за счет уменьшения толщины сульфатных оболочек под действием молекулярных сил притяжения между частицами при 20 годах эксплуатации. С дальнейшим увеличением сроков эксплуатации зданий никаких существенных изменений не происходит.
3. Для лессовых грунтов оснований (супесей) установленные региональные (территория Барнаула) зависимости изменения прочностных и деформационных характеристик от сроков эксплуатации зданий позволяют значительно (до 40%) увеличить нагрузку на существующие фундаменты без их усиления и реконструкции.
4. Зависимости изменения характеристик лессовых грунтов оснований рекомендуются проектным организациям для предварительных,
а также окончательных расчетов фундаментов зданий до II класса включительно.
|
