Изменение механических свойств песчаных грунтов во времени под действием длительной нагрузки

Cообщение, сделанное Андреем Савиновым (отдел "Основания и фундаменты" БелНИИС) на научно-технической конференции "Проблемы энерго- и ресурсосбережения при строительстве и эксплуатации зданий"

В настоящее время в Беларуси большое внимание уделяется реконструкции жилых и промышленных зданий. При этом часто увеличиваются нагрузки, передаваемые на фундаменты. В отдельных случаях возникает необходимость усиления фундаментов вследствие их физического износа.

График изменения модуля деформации во времени

График изменения угла внутреннего трения во времени

Кроме того, возрастание нагрузок вызывает необходимость увеличения размеров фундаментов или усиления основания.

Эти работы являются сложными, требуют больших трудовых и материальных затрат, кроме того, они, как правило, производятся в промышленных зданиях, в которых осуществляется технологический процесс, или в жилых зданиях без отселения жильцов. Поэтому возникают задачи изучения возможности передачи больших нагрузок на грунты основания без увеличения размеров фундаментов.

Известно, что под действием длительно действующего статического (циклического) загружения основания его свойства изменяются во времени. Опыт обследования оснований реконструируемых жилых и общественных зданий и анализ результатов лабораторных исследований и материалов, приведенных в различных литературных источниках, свидетельствуют, что наибольшее влияние на увеличение несущей способности оснований длительно эксплуатируемых зданий оказывает изменение механических характеристик грунта оснований.

С целью исследования изменения механических свойств песчаных грунтов во времени были изучены их характеристики в основании ряда зданий. Был также проведен ряд опытов в лабораторных условиях.

С этой целью из-под подошвы фундаментов в пределах глубины, равной половине их ширины и менее, отбирались образцы (монолиты) грунтов. Также для сравнения производился отбор грунтов вне зоны уплотнения грунта. Для определения изменения свойств грунтов во времени производились штамповые испытания (штампы устанавливались под фундаментом), кроме того, производились измерения с помощью статического пенетрометра и зонда-плотномера.График изменения удельного сцепления во времени

Исходя из полученных данных, удалось построить графики зависимости прочностных характеристик грунта от времени загружения.

Из построенных графиков видно, что угол внутреннего трения в длительно эксплуатируемых зданиях при различных нагрузках изменяется незначительно.

Удельное сцепление возрастает в зависимости от вида песка на 70-100%, а модуль деформации песчаного грунта при давлении до 0,3 МПа увеличивается на 50-60%. Причем, если проанализировать построенные графики, можно увидеть, что наибольшее изменение прочностных характеристик песчаных грунтов происходит в течение 20-30 лет, а далее они растут уже незначительно.

Полученные зависимости позволили составить следующие формулы определения углов внутреннего трения, удельного сцепления и модуля деформации в песчаных грунтах для прогнозируемого момента времени:

jt=Кj х j0,
сt=КC х с0, (1)
Еt=КЕ х E0,
где j t, j 0 - углы внутреннего трения соответственно до загружения и в момент обследования;
сt, с0 - удельное сцепление соответственно до загружения и в момент обследования;
Еt, E0 - модуль деформации соответственно до загружения и в момент обследования;
Кj, КС, КЕ - повышающие коэффициенты, принятые для грунтов Беларуси нижеследующей таблице.

Вид грунта основания	Повышающий коэффициент К при расчетном давлении на грунт Ро=0,ЗМПа при действии нагрузок на основание
	1 год			5 лет			10 лет			20 лет			30 лет			40лет
	Кф	Кс	ke	Кф	Кс	ke	Кф	Кс	ke	Кф	Кс	ke	Кф	Кс	ke	Кф	Кс	ke
Пески кр. и ср. крупности	1,01	1,12	1.15	1,03	1,15	1,25	1,04	1.25	1.3	1,06	1.45	1,35	1,07	1,5	1,38	1,07	1,55	1,4
Пески мелкие	1,02	1,14	1,2	1,06	1,2	1,35	1,09	1.37	1,4	1,12	1,6	1,45	1,13	1,65	1,48	1,13	1.7	1,5
Пески пылеватые	1,03	1,2	1,25	1.07	1,3	1,4	1,11	1.45	1,14	1.14	1,75	1,5	1,14	1,8	1,55	1,15	1,9	1,6

Примечание. При расчетном давлении на грунт Р<0,3 МПа повышающий коэффициент К уменьшается на 0,1, а при Р>0,3 МПаповышается на 0,1

Выводы
Во-первых, при длительном загружении песчаных грунтов эксплуатационной нагрузкой и отсутствии за время эксплуатации суффозионных явлений, недопустимых вибродинамических воздействий на эти грунты, а также каких-либо нарушений целостности их массива ниже подошвы фундаментов зданий, как правило, происходит улучшение свойств грунта.

Во-вторых, в зависимости от грунтовых условий и срока эксплуатации зданий может учитываться эффект обжатия грунта основания давлением от фундамента. При необходимости увеличения нагрузки на основание существующих фундаментов расчетное сопротивление должно назначаться с учетом уплотненного грунта основания R упл.

Однако для определения фактических механических характеристик грунтов основания необходимы большие трудовые и материальные затраты, так как отбор образцов требуется производить из-под подошвы фундамента, в некоторых же случаях добраться до нее не представляет возможным.

Поэтому следует использовать косвенные (ориентировочные) приемы определения этих характеристик по вышеприведенным формулам.

Подготовил Владимир ДАНИЛОВ