Оценка надежности реконструируемого здания после его надстройки

При оценке надежности реконструируемых зданий и сооружений, прежде всего, необходимо решение задачи по выявлению и описанию условий работы составляющих их конструкций из материалов, свойства которых могут существенно меняться под влиянием воздействия изменившейся внешней среды. Типичным материалом такого рода являются грунты оснований сооружений.

В широком смысле грунтовое основание является важнейшим конструктивным элементом, так как его разрушение или чрезмерная деформация чаще всего приводит к выходу из строя всего сооружения. Кроме того, грунты представляют собой сложные многофазные дисперсные системы, поэтому общеизвестны трудности, связанные с созданием моделей, достаточно точно описывающих их напряженнодеформированное состояние и пригодных для практических 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 сравнению с проектными, проверить их прочность и эксплуатационную пригодность для реконструируемого здания и сделать вывод о причинах и различии в изменении свойств при увеличении влажности грунтов основания.

2. Обзор и анализ научно-технической литературы.

В течение многих веков методы проектирования и строительства основывались почти 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 сооружения, стоящие на них, существовали благополучно, не испытывая сколько-нибудь заметных деформаций. Ко вторым относили грунты, на которых уже под небольшими давлениями 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 породы выступали на поверхность или залегали неглубоко под ней. Все сохранившиеся до нашего времени крупные сооружения древности также были построены на прочных, в основном 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 мощение 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 столбами-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 забить их на глубину, надежно предохранявшую от подмыва. Параллельно со свайными фундаментами развивались и совершенствовались массивные конструкции фундаментов глубокого заложения 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 нескальных грунтах, побуждали к поискам более эффективных методов обеспечения их долговечности и надежности. Сначала строители пришли к выводу, что размеры фундаментов и нагрузки на них должны определяться в зависимости от прочности грунтов основания, полагая, что значительные осадки, представляющие опасность для сооружения, являются результатом нарушения прочности грунтов. На основе опыта строительства и наблюдений за поведением сооружений 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 разрушения основание испытывает осадки за счет уплотнения грунта под давлением сооружения. Во второй половине XIX в. была решена задача о распределении напряжений в основании, рассматриваемом 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 исследований в 30х годах XX в. создана наука Механика грунтов, включающая в себя расчетнотеоретические основы фундаментостроения.

Большое значение в формировании и развитии российской школы фундаментостроения 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 илистых грунтов (Б.Д. Васильев, Н.Н. Маслов). Освоению российскими инженерами методов механики 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 испытаниям 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 строительного, гидротехнического и транспортного профилей, также внесли существенный вклад в развитие механики грунтов.

Грунты это любые горные породы и почвы, которые изучаются как многокомпонентные системы, изменяющиеся во времени, с целью познания их как объекта инженерной деятельности человека. Основным положением грунтоведения является положение о зависимости физикомеханических 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 поровое 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 незначительна. 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 водноколлоидными или жесткими кристаллизационными 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 динамическое сжатие. В обоих случаях необратимая объемная деформация происходит за счет уменьшения 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 деформации 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 пленок водноколлоидных связей.

Дискретность строения грунтов и физикомеханические характеристики их составных частей (фаз) определяют закономерности проявления физикомеханических свойств грунта в целом.

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

Под основанием сооружения понимается массив грунта, деформирующийся от усилий, передаваемых на него фундаментами. Отсюда следует, что надежность оснований сооружений нельзя рассматривать в отрыве от находящихся на них фундаментов и надземных 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 надежностью основания сооружения следует понимать, в сущности, надежность одного из элементов системы основание фундамент надземная часть сооружения. При отсутствии обеспеченной надежности основания вся система является также ненадежной. Более того, ненадежность основания вызывает, как правило, появление таких деформаций и напряжений в фундаментах и надземных конструкциях сооружения, при которых они становятся ненадежными даже в том случае, если их надежность сама по себе (без учета влияния основания) и была обеспечена. В то же время ненадежность фундаментов и надземных конструкций сооружения не оказывает обычно прямого влияния на надежность основания, если последняя была обеспечена в процессе проектирования с учетом всей совокупности действующих на нее нагрузок и других факторов.

Таким образом, обеспечение надежности работы основания следует рассматривать как способ обеспечения надежной работы всей системы основание фундамент надземная 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 основания это его способность воспринимать всю совокупность внешних воздействий (нагрузки, природноклиматические и технологические факторы) в течение заданного срока с обеспечением нормальной эксплуатации сооружения в целом и размещенного в нем оборудования.

Основными факторами, определяющими в общем случае надежность оснований сооружений, являются:

Количественное описание большей части из перечисленных факторов во всей сложности 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 конструкций. По указанной причине изучение закономерностей изменчивости физикомеханических 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 надежность основания сооружений приближается к эксплуатационной. В идеальном случае, при полной адекватности содержания проектных расчетов действительным условиям работы оснований, проектный уровень надежности совпадает с эксплуатационным. Стремлением к этому отмечены все поиски на пути усовершенствования как расчетных схем, так и методов получения исходных данных о показателях свойств грунтов оснований, нагрузках и воздействиях, вытекающих, 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 воздействиях, 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 характеристик грунта при увлажнении из-за повышения УГВ нами были проделаны компрессионные и сдвиговые испытания суглинка. Нами были приготовлены образцы тугопластичного 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 текучести WL = 31 %. Для этого из измельченного и просеянного через сито 0,01 мм воздушносухого 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 воздушносухого грунта; mw масса долитой к грунту воды; md масса скелета грунта.

Для получения образца суглинка с заданным проектным коэффициентом пористости 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 изменились физические характеристики грунта. Сравнение изменившихся физических показателей 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 верхнего слоя и с изменившейся влажностью и пористостью после увлажнения грунта при поднятии уровня грунтовых вод под реконструируемым жилым домом, испытывали в одометре 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 физикомеханические характеристики грунта при его увлажнении существенно изменяются, а также значительно уменьшаются его прочностные и деформационные характеристики.

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

Доска объявлений Стройка    на STALKOND.RU     Регистрация клиентов

            Металлоконструкции          Строительство                        Ангары б/у                    Демонтаж