Информационное моделирование изменения несущей способности и деформаций оснований фундаментов эксплуатируемых зданий при подтоплении Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.15.078.32.001.5

ИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ДЕФОРМАЦИЙ ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ЗДАНИЙ ПРИ ПОДТОПЛЕНИИ

© 2004 г. Г.М. Скибин

Анализируя результаты проведенных в различное время (до подтопления и после) инженерно-геологических изысканий по г. Новочеркасску установлено, что по мере развития процесса подтопления и водонасыщения грунтов основания происходит снижение их основных характеристик ф, с и Е, в частности значение угла внутреннего трения ф уменьшается на 2-3о, а значения удельного сцепления и модуля деформации с и Е снижаются примерно в 2,5-3 раза.

Подтопление территории расположения зданий или сооружений, которое сопровождается подъемом уровня грунтовых вод в массиве основания, вызывает последовательное изменение напряженно-деформированного состояния (НДС) основания.

Рассмотрим изменение НДС основания при подтоплении (в данных исследованиях принимали участие Ю.Н. Мурзенко и Н.П. Юношев). Выделены три возможных состояния основания, которые могут быть характерными для процесса подтопления:

1) состояние, при котором уровень грунтовых вод находится значительно ниже уровня подошвы фундаментов и в пределах «сжимаемой толщи» грунт находится в состоянии естественной влажности. Обозначим это состояние индексом «Е»;

2) состояние, при котором в толще несущего слоя грунта произошло увеличение влажности за счет капиллярного подъема грунтовой воды. Обозначим это состояние индексом «К»;

3) состояние, при котором произошел значительный подъем уровня грунтовых вод до уровня планировки территории; грунт находится в водонасыщен-ном состоянии и испытывает взвешивающее действие грунтовой воды, что уменьшает значение боковой пригрузки грунта выше уровня подошвы фундамента. Обозначим это состояние индексом «В».

Будем считать, что в каждом из принятых состояний грунт основания находится длительный период времени, и это привело к ухудшению его прочностных и деформационных характеристик. Иными словами, проявились в полной мере негативные факторы подтопления.

Проведем исследование НДС основания для каждого из состояний с помощью информационного

моделирования с применением программного комплекса ПК. ЛЕНТА (ветвь АНАЛИЗ). Этот комплекс позволяет моделировать НДС основания в процессе повышения нагрузки или в процессе эксплуатации здания или сооружения при изменении физико-механических характеристик грунта и неизменной нагрузке на фундаменты. Методика подобных исследований приведена в монографии [1].

Теоретической основой алгоритма ПК.ЛЕНТА [2] является аналитическое решение задачи для условий плоской деформации и невесомой среды полученое Ю.Н. Мурзенко (с участием В.П. Дыбы) с использованием в качестве базовых решений В.В. Соколовского и И.В. Федорова.

Осадка упругопластического основания, согласно данному решению, определяется по формуле к к

...... (1)

= 7= [ z y ), z Л

8E Г Ei

y п+\ -

где стг и оу - компоненты напряжений на граница элементарных слоев грунта; кi - толщина элементарного слоя грунта; Е - начальное значение модуля деформации грунта; Е - безразмерная функция изменения модуля деформации грунта с ростом нагрузки, определяемая по соответствующему закону деформирования из экспериментальных данных.

Рассмотрим изменение НДС основания ленточных фундаментов 9-этажного здания при подтоплении как наиболее характерного объекта городской застройки. Примем относительно благоприятные условия расчета основания этого здания: давление на грунт основания примем 0,16 МПа, что меньше начального просадоч-ного давления. В других случаях, в которых давление на грунт будет составлять большие значения, например 0,20....0,25 МПа, последствия подтопления будут иметь более негативный характер.

В качестве исходных данных к расчетам использованы характеристики грунтов, обобщенные по материалам инженерно-геологических изысканий для строительных площадок и территорий эксплуатируемых зданий г. Новочеркасска. Расчетные характеристики грунта основания для выделенных трех состояний грунтового массива приведены в табл. 1.

Таблица 1

Расчетные характеристики основания

Состояние грунта W Ф, град. с, МПа E, МПа Рщ р Р ЭР щр s

МПа % мм %

1 состояние «Е» 0,18 22 0,15 15,0 1,32 100 0,12 63 100

2 состояние «К» 0,22 21 0,10 10,0 0,98 74 0,16 94 149

3 состояние «В» 0,28 20 0,05 5,0 0,56 43 0,25 183 290

По приведенным исходным данным выполнен расчет основания на шести возрастающих ступенях нагружения с учетом развивающихся с ростом нагрузки областей пластических деформаций в грунте. На каждой ступени нагружения вычислялись значения компонент напряжений и других параметров НДС, а также определялась осадка основания.

Здесь представлены результаты расчетов для первых ступеней нагружения по каждому из трех состояний.

Рассмотрим изменение компонент напряжений в точке «М» массива основания, которая находится в вертикальном створе боковой грани ленточного фундамента на глубине, равной его ширине, поскольку эта зона основания является наиболее напряженной и в этой зоне происходит наибольшая часть осадки грунта основания.

Полученные значения компонент напряжений в этой точке сведены в табл. 2 после их пересчета для одинаковых значений нагрузки от условного здания, принятой равной 0,16 Мпа.

Таблица 2

Значения компонент напряжений в точке «М»

°z V O - о,.

МПа % МПа % МПа % МПа %

0,071 100 0,042 100 0,019 100 0,029 100

0,073 103 0,028 66 0,028 132 0,045 155

Из данных табл. 1 следует, что в результате водо-насыщения грунта после подтопления с переходом от состояния «Е» к состоянию «В» в грунте основания (в точке «М») происходит перераспределение напряжений при неизменной общей нагрузке от здания.

Так, вертикальные напряжения стг несколько возрастают от 100 до 103 %. Горизонтальные напряжения <у существенно уменьшаются со 100 до 66 %, это показывает, что в состоянии «В» грунт основания становится ближе в предельному, чем в состоянии «Е», и его способность воспринимать боковой распор становится меньше.

Касательные напряжения т^ значительно увеличиваются со 100 до 132 %, что свидетельствует о более интенсивном развитии сдвиговых деформаций в грунте краевой зоны фундамента в состоянии «В», которое более близко к предельному состоянию основания в целом.

Для каждого состояния вычислены: расчетное сопротивление основания, предельная нагрузка на основание, построены графики осадок (рис. 1 - 3) основания для полного интервала нагрузок для каждого из состояний. Эти графики представляют виртуальные осадки для случаев, когда основание подвержено воздействию возрастающей нагрузки от «нулевой» до «предельной» для каждого из состояний.

По результатам расчетов составлены сводный график осадок (рис. 4) и сводная табл. 3. По данным табл. 4 следует, что при последовательном переходе от состояния «Е» к состояниям «К» и «В» (т.е. в процессе подтопления) происходит существенное снижение несущей способности основания. Так, предельная

нагрузка, которую способно выдержать основание, снижается после подтопления со 100 % (значение до подтопления) до 43 % или почти в 2,5 раза.

Таким образом, в результате подтопления происходит существенное снижение надежности грунтового основания «по несущей способности». Это является результатом ухудшения расчетных характеристик грунта при его взаимодействии с грунтовой водой и результатом изменения расчетной схемы фундамента за счет уменьшения боковой пригрузки грунта, испытывающего взвешивающее действие грунтовой воды в результате водонасыщения грунтового массива после подтопления.

Наиболее важным показателем ухудшения состояния основания является проявление дополнительных осадок фундаментов при подтоплении, что приводит к снижению его надежности «по деформациям».

Анализ величин ожидаемых осадок и их изменений при подтоплении выполним путем сравнения значений осадок по графикам (рис.1 - 3) в табл. 1. Для этого на каждом из графиков указаны значения ожидаемых расчетных осадок при действии одной и той же нагрузки под подошвой фундамента, равной 0,16 МПа. Эта нагрузка принята нами как нагрузка, действующая на основание существующего условного здания, которая остается неизменной в процессе подтопления.

Из графиков следует, что с переходом от состояния «Е» к состояниям «К» и «В» происходит значительное увеличение ожидаемой осадки основания при не изменяющейся нагрузке от здания. Эти осадки составляют соответственно 63, 94 и 183 мм.

Таким образом, потенциальное увеличение осадки здания после подтопления составляет 2,9 раза. Этот процесс возрастания осадки происходит во времени с развитием процесса подтопления. Определенная часть осадки здания происходит в начальном периоде эксплуатации, затем осадка может испытывать приращения за счет проявления описанных процессов при подтоплении.

Заметим, что для состояния «Е» вычисленная осадка, равная 63 мм, не превосходит предельно допустимую осадку по СНиП, которая составляет 80 мм для данной категории здания. С переходом к состоянию «К» и далее к состоянию «В» ожидаемая осадка превысит значение предельно допустимой по СНиП и критерии надежности основания здания «по деформациям» перестанут соблюдаться.

Причинами возрастания ожидаемой осадки фундаментов при подтоплении являются структурные изменения, происходящие в скелете водонасыщенного грунта вследствие растворения водно-коллоидных связующих компонент, происходят также явления механической и химической суффозии. Это приводит к уменьшению удельного сцепления грунта и, как следствие, модуля деформации грунта и угла внутреннего трения. Возрастание осадки происходит также за счет изменения расчетной глубины сжимаемой толщи основания, которая при водонасыщении массива становится большей.

Е - естественная влажность грунта

Осадка основания для различных грунтов:

1 - упругое основание;

2 - глинистых мягкопластичной консистенции;

3 - глинистых твердой и тугопластичной консистенции, а также песчаных плотного сложения;

4 - глинистых средней плотности и других. Расчетное сопротивление

основания: Я = 0,624420 кПа.

Р = 0,158032 кПа Ротн = 0,119903 S = 0,063176 м

З а д а ч а

А Н А Л И З

Исходные данные

Число точек нагружения.......... 6

Заглубление, м................... 2.000000

Удельный вес грунта, кН/м.куб.... 19.500000

Сцепление грунта, МПа............ 0.060000

Угол внутреннего трения, МПа..... 21.999999

Коэффициент бокового расширения. 0.350000 Модуль деформации грунта, МПа.... 15.000000 Ширина полосы фундамента Результаты расчета

1-й шаг нагружения

Нагрузка, МПа........................................0.496255

Нагрузка зарождения, МПа..................0.496255

Предельная нагрузка, МПа..................1.317996

Давление связности, МПа....................0.148505

Пригрузка, МПа......................................0.039000

Гамма 1, градус....................................-21.999999

Гамма 3, градус....................................-21.999999

Расчетное сопротивление, МПа..........0.624420

Относительная нагрузка.......... 0.376523

К - капиллярное увлажнение грунта

Осадка основания для различных грунтов:

1 - упругое основание;

2 - глинистых мягкопластичной консистенции;

3 - глинистых твердой и тугопластичной консистенции, а также песчаных плотного сложения;

4 - глинистых средней плотности и других. Расчетное сопротивление

основания: R = 0,493200 кПА

P = 0,161007 P0TH = 0,63057 S = 0,094041 м

P

З а д а ч а А Н А Л И З

Исходные данные

Число точек нагружения.......... 6

Заглубление, м................... 2.000000

Удельный вес грунта, кН/м.куб.... 19.500000

Сцепление грунта, МПа............ 0.045 000

Угол внутреннего трения, МПа..... 21.000000

Коэффициент бокового расширения. 0.350000 Модуль деформации грунта, МПа.... 10.000000 Ширина полосы фундамента Результаты расчета

1-й шаг нагружения

Нагрузка, МПа.................... 0.389374

Нагрузка зарождения, МПа......... 0.389374

Предельная нагрузка, МПа......... 0.987430

Давление связности, МПа.......... 0.117229

Пригрузка, МПа................... 0.039000

Гамма 1,градус.................. -21.000000

Гамма 3,градус.................. -21.000000

Расчетное сопротивление, МПа..... 0.493200

Относительная нагрузка.......... 0.394331

В - водонасыщенное состояние грунта

Осадка основания для различных грунтов:

1 - упругое основание;

2 - глинистых мягкопластичной консистенции;

3 - глинистых твердой и тугопластичной консистенции, а также песчаных плотного сложения;

4 - глинистых средней плотности и других. Расчетное сопротивление

основания: Я = 0,319116 кПа.

P = 0,159343 кПа Ротн = 0,0,248662 S = 0,183083 м

Р

3

4 1

2

S

З а д а ч а А Н А Л И З

Исходные данные

Число точек нагружения.......... 6

Заглубление, м................... 2.000000

Удельный вес грунта, кН/м.куб.... 9.500000

Сцепление грунта, МПа............ 0.030000

Угол внутреннего трения, МПа..... 20.000001

Коэффициент бокового расширения. 0.350000 Модуль деформации грунта, МПа.... 5.000000

Ширина полосы фундамента, м...... 2.000000

Результаты расчета

1-й шаг нагружения

Нагрузка, МПа........................................0.227838

Нагрузка зарождения, МПа..................0.227838

Предельная нагрузка, МПа..................0.566630

Давление связности, МПа....................0.082424

Пригрузка, МПа......................................0.019000

Гамма 1, градус....................................-20.000001

Гамма 3, градус....................................-20.000001

Расчетное сопротивление, МПа..........0.2 8515 6

Относительная нагрузка.......... 0.402093

Рс

5е

¡K'

40

0,4

Рп

80

S, мм

0,8 Рп

1 „1 Ч. 1 „ \J N |\ 1 1 1 1 1 . 1 \ I \ 1 1 1 1 1 1 1 1 1

В\ V 1 \ 1 \ 1 \ < 1 \ \ I N \ 1 1 1 1 1 1 1 1 v !

\ 1

1,2

Рп

Рпр, МПа

Рис. 4. Сводный график осадок

Совмещенный график осадок (рис. 4) показывает, что с переходом грунта основания от состояния «Е» к состояниям «К» и «В», как это отмечено выше, снижается несущая способность основания и растет его деформативность. Снижается «запас прочности» основания. Сравнение нагрузки на фундамент, равной 0,16 МПа, с предельной несущей способностью основания показывает, что она составляет в состоянии «Е» 0,12 от предельной, в состоянии «К» - 0,16 и в состоянии «В» - всего 0,25 от предельной нагрузки или в 2 раза меньше чем в состоянии «Е».

Формула (1) для расчета осадок основания с учетом упругопластических деформаций, в отличие от формулы СНиП для определения осадки методом послойного суммирования, учитывающей влияние только напряжения стг, учитывает влияние и горизонтальных напряжений оу , что является весьма существенным уточнением: в формулу (1) входит разность напряжений ог - оу. В табл. 3 показано, что эта разность значительно изменяется при переходе грунта от состояния «Е» к состоянию «В», принимая значения от 0,029 до 0,045 или на 55 % больше. Этим показано, что увеличение осадки от подтопления происходит также в результате перераспределения напряжений в массиве грунта, происходящего вследствие изменения его состояния.

Наиболее важным, с точки зрения оценки состояния и обеспечения надежности оснований и фундаментов существующих зданий и сооружений, является прогноз возможных дополнительных неравномерных деформаций грунтового основания.

Необходимо отметить, что в практике фундаментостроения имеются некоторые методы оценки состояния оснований эксплуатируемых сооружений (например, методы, разработанные профессором П.А. Коноваловым [3] и Ю.В. Рос-сихиным [4]). Однако известные методы являются косвенными и не дают информации о количественных соотношениях для прогноза развития возможных осадок сооружений.

Приведенные выше результаты (табл. 1) исследования изменения НДС грунтового основания в процессе повышения уровня грунтовых вод, вызванного подтоплением территории, вполне согласуются с результатами натурных наблюдений за деформированным состоянием зданий и сооружений в различных по интенсивности стадиях подтопления, что подтверждает возможности прогнозирования деформаций эксплуатируемых зданий и сооружений при подтоплении застроенной территории.

Литература

1. Мурзенко Ю.Н. Расчет оснований зданий и сооружений в упругопластической стадии с применением ЭВМ. Л.,

1989.

2. Мурзенко Ю.Н., Шматков В.В., Климов С.К. Информационное моделирование упругопластического состояния основания ленточных фундаментов на персональном компьютере // Исследования и разработки по компьютерному проектированию фундаментов и оснований: Межвуз. сб. / Новочерк. политехи. ин-т. Новочеркасск,

1990.

3. Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. М., 1988.

4. Россихин Ю.В., Бинтайнис А.Г. Осадки строящихся зданий. Рига, 1980.

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)

31 мая 2004 г

В

К

0