Да / Нет
Ваш регион:
Портал "ВАШ ДОМ" - всё для строительства и ремонта
Все статьи :  Строительство, ремонт, монтаж  : Строительство зданий и сооружений

Оценка надежности реконструируемого здания после его надстройки 

При оценке надежности реконструируемых зданий и сооружений, прежде всего, не-обходимо 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 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:

  1. соответствие принятых схемы и метода расчета основания действительным ус-ловиям его работы в каждом конкретном случае;
  2. достоверность описания инженерно-геологических условий строительства соору-жения, получаемого в процессе полевых изысканий и обследований;
  3. достоверность исходных материалов о физико-механических характеристиках грунтов оснований, получаемых на основе полевых и лабораторных методов их испытания с учетом происхождения грунтов, условий их естественного залегания, структуры и сложе-ния, а также возможности их изменения в процессе эксплуатации здания или сооружения, построенного на грунтах основания;
  4. достоверность материалов о нагрузках и воздействиях, которым подвергаются ос-нования сооружений при их эксплуатации;
  5. правильность реализации проектных решений в процессе строительства, обеспе-чиваемая средствами контроля за качеством и предусмотренной технологией производства работ.

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

Плотность, т/м3

Влажность, W, %

Плотность сухого грунта,rd,т/м3

проектная

существ

проектная

существ

проектная

существ

1.89

1.86

12.0

27.4

1.69

1.46

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

Вертикальное давление
Р, МПа

При природной влажности

При увлажнении грунта

Коэфф.пористости е

Модуль деформации Е, МПа

Коэфф.пористости е

Модуль деформации Е, МПа

0.00

0.6

16

0.846

10.25

0.05

0.595

 

0.837

 

 

 

20

 

11.54

0.10

0.591

 

0.829

 

 

 

22.8

 

13.2

0.20

0.584

 

0.815

 

 

 

26.6

 

16.8

0.30

0.578

 

0.804

 

Таблица №3

Сдвиговые испытания грунтов

Условие
сдвига

Вертикальная
нагрузка,
Р,МПа

Сдвигающее
усилие,
Т, МПа

Касат. напряжение,
т,МПа

Угол внутреннего трения,

Удельное сцепление
с, МПа

С природной влажностью

0.10
0.20
0.30

0.072
0.110
0.142

 

0.350

 

22

 

0.038

При замачивании водой

0.10
0.20
0.30

0.055
0.085
0.120

 

0.325

 

19

 

0.025

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

Дата публикации 08.12.15




Добавить комментарий

Комментарии

(1)

Serega [04.11.2008 - 12:15]

Для любителей

Оценка: 
 (отлично)




Добавить комментарий

Имя*
E-mail: 
 Присылайте мне комментарии по этой статье
 Не показывать мой E-mail
Комментарий*

не менее 5 слов
Оценка: 
 (отлично)
 (хорошо)
 (средне)
 (плохо)
 (ужасно)
 (без оценки)
 (введите число, указанное на картинке*)

Правила размещения комментариев

Поля отмеченные значком * обязательны для заполнения.

Запрещено:

  1. Запрещены сообщения рекламного характера.
  2. Запрещены сообщения оскорбительного и нецензурного содержания.
  3. Запрещено использование тегов HTML и скриптов на языках JavaScript, VBScript.

Все сообщения просматриваются администратором и, в случае нарушения правил, удаляются без предупреждения и объяснения причин.


Смотрите также
Дом будущего
Рынок жилой недвижимости меняется буквально на глазах. Предложение становится все более разнообразным и сегментированным, а покупатель — гораздо более разборчивым, чем... Подробнее
Дом для правнуков
Пожалуй, каждый потенциальный домовладелец мечтает построить качественный коттедж, который будет верой и правдой служить не только ему самому, но и следующим поколениям.... Подробнее
Занимательная геология. Шаг за шагом
С чего начинать строить дом? - типичный вопрос, часто встречающийся на форумах. Ответы даются самые разнообразные: от «Привезти бытовку» до «Заключить договор с... Подробнее



Все статьи:      «Строительство, ремонт, монтаж» (534) >> «Строительство зданий и сооружений» (147) >>


Смотри также: Каталог «Строительство, ремонт, монтаж» >>
Фотогалереи (98) >>
Статьи (534) >>
ГОСТы (116) >>
СНиПы (94) >>
СанПиНы (14) >>
Нормативные документы (12) >>
ВСН (38) >>
Задать вопрос в форуме >>
Строительные блоги (122) >>
Подписка на рассылки >>
VashDom.Ru: перейти в раздел
  поиск
   
 
 Copyright © 1999-2016 ВашДом.Ру - проект маркетинговой группы "Текарт"
 По вопросам связанным с работой портала вы можете связаться с нашей службой поддержки или оставить заявку на рекламу.

Рейтинг@Mail.ru
наверх