ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ В ОСНОВАНИЯХ ДЛИТЕЛЬНО ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

 

И.В. Носков, И.А. Корнеев

 

Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова

 


В настоящее время большая часть старого жилого фонда, так называемых “хрущевок”, исчерпала расчетный срок своей эксплуатации. Большинство этих зданий расположено в “старой” части г. Барнаула, основания которых сложены лессовыми просадочными грунтами. Здания находятся на грани аварийных состояний и условия проживания в них не соответствуют требованиям, предъявляемым к жилью.

Количество таких зданий в г. Барнауле достаточно велико. Кладка стен, их толщина, имеющееся остекление оконных проемов не соответствует требованиям действующей сегодня нормативной документации. Учитывая все это, встает вопрос реконструкции этих зданий, который требует проведения повторных инженерно-геологических изысканий под существующими зданиями. Проведение этих изысканий затруднено существующими коммуникациями, благоустройством территории вокруг зданий, а также большой плотностью застройки. В связи с этим, сразу возникает ряд серьезных проблем, преодоление которых требует специального научного подхода, который учитывает:

1.    Закономерности изменения инженерно-геологических условий и напряженно-деформированного состояния грунтов оснований зданий;

2.    Конструктивные особенности и условия эксплуатации зданий;

3.    Устойчивость оснований эксплуатируемых зданий на момент их реконструкции.

Сложность учета выше указанных факторов заключается в том, что выполнение всех работ по устройству фундаментов реконструируемых зданий должно осуществляться при условии сохранения техногенной нагрузки, действующей на геологическую среду.

Учитывая вышесказанное, актуальна тема оценки (прогнозирования) изменений прочностных и деформационных характеристик лессовых просадочных грунтов в основании длительно эксплуатируемых зданий и сооружений. Благодаря методам прогнозирования можно уменьшить объем дорогостоящих повторных инженерно-геологических изыска-ний и выполнить реконструкцию, в т. ч. увеличение этажности зданий и сооружений без реконструкции существующих фундаментов, что дает значительный экономический эффект.

В настоящее время имеется ограниченное число работ, в которых бы вопросы проектирования фундаментов реконструируемых и восстанавливаемых зданий рассматривались комплексно, с учетом особенностей изменения физико-механических характеристик грунтов и фактического напряженно-деформированного состояния грунтов основания, но прогнозирование изменений деформационных и прочностных характеристик лессовых просадочных грунтов г. Барнаула и, как следствие, возможность увеличения нагрузки на существующие фундаменты без их реконструкции выполняется впервые.

Известны работы, посвященные отдельным аспектам этой важной проблемы. Наибольшее количество работ посвящено совершенствованию методов инженерно-геологических изысканий и исследованию физико-механических свойств грунтов для условий реконструкции и восстановления зданий. Наиболее полные работы по этим вопросам выполнены в НИИОСПе им. Н.М. Герсеванова, в Фундаментпроекте, ПНИИСе, Гидропроекте, МГСУ, СГСУ, УралТИСИЗе, РостовГАСе, БамНИИстрое, ДальНИИСе.

В работах рассматриваются современные методы, приборы и оборудование, используемые для инженерно-геологических исследований на площадках реконструируемых и восстанавливаемых зданий. Отмечается, что стандартные методы инженерно-геоло-гического обследования площадок, которые, как правило, связаны с проходкой скважин и геологическими выработками, отбором образцов грунта и проведением лабораторных исследований, наблюдениями за состоянием объектов обычно трудоемки, дорогостоящи и не всегда приемлемы для условий реконструкций и восстановления зданий. Для выполнения  инженерно-геологических  изысканий на площадках реконструируемых и восстанавливаемых зданий перспективными признаются ускоренные методы (экспресс-мето-ды) исследования грунтов зондированием, прессиометрией, а также радиоизотропные, геофизические и др. методы, которые позволяют оперативно, с минимальными затратами оценивать изменение свойств грунтов и определять нужные параметры. Но прогноз изменения свойств определенных оснований для определенного региона с комплексным научным подходом является еще более перспективным.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что с течением времени в основании фундаментов длительно эксплуатируемых зданий происходит изменение свойств грунтов, вызванное их уплотнением, давлением фундаментов и др. причинами. Эти изменения сказываются на несущей способности оснований фундаментов и должны учитываться при реконструкции зданий и сооружений. Вопросам исследования свойств грунтов, уплотненных давлением фундаментов длительно эксплуатируемых зданий, посвящены работы Б.И. Долматова, Ю.И. Двор-кина, П.А. Коновалова, В.В. Лушникова, А.Г. Ройтмана, И.Б. Рыжкова, Е.А. Сорочана, С.Н. Сотникова, В.М. Улицкого, К.М. Шадунца, А.И. Полищука и др. В этих работах описываются результаты исследований плотности, влажности, водопроницаемости, прочностных и деформационных характеристик различных типов грунтов, залегающих в пределах сжимаемой толщи основания фундаментов реконструируемых зданий. Обобщить результаты вышесказанных работ и установить закономерности изменения свойств грунтов в зависимости от различных факторов довольно сложно, т. к. характеристика прочности, сжимаемости и др. определялись на различных приборах и по различным методикам. Но, в целом, в большинстве работ отмечается, что прочностные и деформационные свойства песчаных и пылевато-глинистых грунтов, залегающих в основании фундаментов длительно эсплуатируемых зданий, улучшаются.

Конечной целью работы является получение  корреляционных  зависимостей изменения прочностных и деформационных характеристик  лессовых  просадочных грунтов г. Барнаула (в частности, С -удельного сцепления, j - угла внутреннего трения, Е - модуля деформации и, как производной, R - расчетного сопротивления основания) в зависимости от сроков эксплуатации зданий. На этих зависимостях будет базироваться прогноз изменения прочностных и деформационных характеристик лессовых просадочных грунтов г. Барнаула в широком диапазоне сроков эксплуатации зданий.

Для решения поставленных задач были выбраны здания на лессовых просадочных грунтах в г. Барнауле. В ГП “АлтайТИСИЗ” были взяты первоначальные изыскания, проведен их анализ и составлены таблицы физико-механических характеристик (начальных). Исследуемые здания на лессовых просадочных грунтах были выбраны следующим образом: 30 лет эксплуатации - 5-этажное кирпичное здание на ленточных фундаментах - Краевой Дом моделей; 20 лет эксплуатации - 5-этажное кирпичное здание на ленточных фундаментах - ул. Северо-западная, 56; 10 лет эксплуатации - 5-этажное кирпичное здание на ленточных фундаментах - ул. Северо-западная, 58А и т. д., т. е. были выбраны здания на одном типе грунта (лессовые просадочные супеси) в разных районах “старого города”, который в первую очередь нуждается в реконструкции, с одинаковой нагрузкой на основания фундаментов. Также для анализа изменения характеристик лессовых просадочных грунтов список исследуемых зданий был пополнен малоэтажным (2-этажным) зданием с меньшей нагрузкой на основание, но весьма длительным сроком эксплуатации - 50 лет - по адресу пр. Строителей, 5.

Весной 1998 г. были проведены экспериментальные исследования на малоэтажном здании по пр. Строителей, 5. Был выполнен ряд инженерно-геологических выработок. После отбора образцов были проведены лабораторные испытания, результаты которых обработаны и приведены в табличной форме. Эти результаты сравнены с начальными физико-механическими характеристиками. Анализируя полученные результаты, получили, что отличительной особенностью лессовых просадочных супесей г. Барнаула является то, что даже при весьма длительных сроках эксплуатации зданий (50 лет), но малых нагрузках на основание прочностные и деформационные характеристики изменяются незначительно с сохранением просадочных свойств основания.

Летом 1998 г. экспериментальные исследования проводились на двух зданиях: 20 лет эксплуатации - ул. Северо-Западная, 56 и 10 лет эксплуатации - ул. Северо-Западная, 58А. Были отобраны образцы грунтов и проведены “двойные” лабораторные испытания, т. е. одни по традиционной схеме, а другие - с использованием автоматизированной системы инженерно-строительных изысканий (АСИС). АСИС представляет собой информа-

ционно-измерительную систему, предназначенную для автоматизации механических испытаний образцов грунтов в лабораторных условиях. После чего эти результаты сравнили с начальными.

В начале 1999 г. был проведен полевой эксперимент на пр. Строителей. Объектом эксперимента было здание Краевого Дома моделей - 30 лет эксплуатации. Были отобраны образцы грунтов и проведены лабораторные испытания. Обработка результатов велась с использованием пакета прикладных программ.

Летом 1999 г. для изучения причин изменения прочностных и деформационных свойств грунта был проведен анализ образцов грунта на микроструктурном уровне, т. к. как именно структурная перестройка является причиной изменения свойств грунта. Среди многочисленных методов, применяемых для изучения микроструктур глинистых пород, наиболее информативна растровая электронная микроскопия (РЭМ). Важным преимуществом РЭМ является то, что она дает возможность получать изображение исследуемой микроструктуры и выполнять различные операции по обработке этого изображения и количественной оценке ее морфометрических и геометрических признаков. Метод позволяет выполнять исследования на небольшом образце в широком диапазоне увеличений: от оптических до электронно-оптических.

Для микроструктурных исследований образцы отбирались непосредственно из-под подошвы фундаментов существующих зданий, а также вблизи от зданий отбирались образцы грунта естественной структуры, которая при анализе являлась эталонной. РЭМ-изображения получались с образцов грунта параллельно и перпендикулярно действию нагрузки от фундаментов зданий. Для микроструктурного анализа выбирались увеличения x100, 200 и 500. На малых  увеличениях  выполняется   анализ  общей  картины  грунта,  а  при  большем увеличении - анализ отдельных структурных элементов. В результате анализа полученных снимков микроструктуры составлены характеристики образцов.

1. Характеристика эталонного образца:

Основная часть микроструктуры представлена крупными глобулярными агрегатами. На снимках хорошо видны крупные межагрегатные поры. Структура грунта рыхлая, равномернопористая. Проведенный анализ микроструктуры грунта позволяет отнести ее к скелетному типу.

2. Характеристика образца из-под подошвы фундамента:

После передачи на грунт давления от здания микроструктура существенно изменилась. На РЭМ-фотографиях отсутствуют макропоры и крупные межагрегатные поры. Твердая составляющая структура представлена агрегатами и микроагрегатами существенно меньших размеров, по сравнению с эталонными образцами, хотя встречаются отдельные крупные структурные элементы. Качественный анализ РЭМ-изображений позволяет отнести микроструктуру образцов из-под подошвы к скелетно-матричному типу.

Структурные изменения в грунте хорошо подтверждаются изменением величины струк-турного коэффициента.

На следующих этапах исследований планируется провести комплексные исследования на запланированных зданиях по ул. Северо-западная - срок эксплуатации от 15 до 40 лет, провести и обработать с использованием пакета прикладных программ лабораторные испытания, провести микроструктурные исследования, сделать сравнительный анализ изменения начальных и конечных прочностных и деформационных характеристик оснований, сложенных лессовыми просадочными грунтами.