Изменение физико-механических свойств грунтов под влиянием длительного воздействия нагрузки от здания

В первую очередь изменение касается деформационных и прочностных свойств, необходимых для проверочных и проектных расчетов для реконструируемого здания:

- Е (МПа) – модуль общей деформации;

- ρ (т/м³) – плотность;

- С (МПа) – удельное сцепление;

- φ (град) – угол внутреннего трения.

Исследованиями многих лет выявлено влияние длительных нагрузок в уменьшении коэффициента пористости грунта (увеличение плотности), изменение минералогического и химического состава вследствие активной диффузии. Происходит также переупаковка скелета грунта с увеличением эффективного давления и уменьшение порового. Одновременно происходит изменение теплового аэрационного режима с поверхности.

Увеличение плотности происходит гораздо интенсивнее в несвязных, песчаных грунтах, где велика доля эффективного давления.

В пылевато-глинистых - процесс происходит гораздо медленнее, следуя скорости консолидации, и зависит от величины коэффициентов фильтрации слоев, особенно в увлажненных грунтах.

Так, в песчаных грунтах их плотность возрастает на 15-25 % до глубины под подошвой фундаментов, равной

Нρ = (0,6÷1,1) b, (5.8)

Прочностные и деформационные характеристики в уплотненной сжимаемой толще также увеличиваются, что должно подтвердиться конкретными испытаниями. В грунтах с содержанием органики или с примесью растительных остатков (заторфованные, аллювиальные, озерно-болотные) под длительным воздействием нагрузки увеличивается сцепление.

Вместе с тем установлено, что за период эксплуатации здания происходит повышение влажности грунта, особенно в зоне контакта с фундаментом, вследствие нарушения аэрационного и теплового режимов, изменения интенсивности испарения и атмосферных осадков. Особенно активно процесс увлажнения происходит в глинистых грунтах. В песчаных процесс менее заметен. При этом сотрудниками НИИОСП им. Н.М. Герсеванова установлено, что за период эксплуатации здания на глинистых грунтах, повышение их влажности составляет от 5 до 40 % в пределах площади застройки. Процесс происходит неравномерно. Активное увлажнение идет в течении первых 20 лет эксплуатации здания. Процессы увлажнения могут быть полезными для достижения величины оптимальной влажности, а следовательно, максимального уплотнения грунта под фундаментом под действием нагрузки для строительства на маловлажном грунтовом основании. В других случаях дополнительное увлажнение ведет к ослаблению основания, дополнительным осадкам, если эффект уплотнения от длительной нагрузки не компенсирует негатива.

Согласно исследованиям П.А. Коновалова, при давлении по подошве фундамента 250-300 кПа происходит уменьшение коэффициента пористости песчано-глинистых грунтов в среднем на 7-12 %. При этом наибольшее уплотнение грунта наблюдается в пределах от (0,5÷1,0) b. В стороны зона уплотнения может расширяться до 1,2 b.

Экспериментами А.И. Полищука [29] установлено, что в глинистых грунтах за период эксплуатации здания удельное сцепление С может увеличиться на 50% и более, в зависимости от показателя текучести и действующего давления по подошве. Угол внутреннего трения при этом, как правило, не возрастает, или возрастает незначительно.

Количественная оценка изменения прочностных свойств для песчаных грунтов за период эксплуатации от 20 до 120 лет была выполнена в ЦНИИпромзданий (Ю.И. Дворкин и др.). Установлена линейная зависимость между прочностными свойствами песчаного грунта и длительностью его загружения. Предложены эмпирические формулы

- для крупно и среднезернистых песков

φ_t = φ₀ + 0,0369t ; (5. 9)

C_t = C₀ + 0,0490t.

- для мелкозернистых песков

φ_t = φ₀ + 0,0614t; (5.10)

C_t = C₀ + 0,0372t.

- для песков пылеватых

φ_t = φ₀ + 0,0662t; (5.11)

C_t = C₀ + 0,0109t.

Ниже приведены табл. 5.10 и 5.11 уменьшения пористости и увеличении модуля деформации уплотненных грунтов.

Также установлено, что увеличение величины модуля деформации песка происходит более интенсивно, чем уменьшение его пористости. Видимо на увеличение модуля деформации влияет не только уменьшение пористости, но и другие факторы, связанные с приложением длительной нагрузки, что нуждается в дополнительных исследованиях.

Из результатов исследований специалистов очевидно, что за период эксплуатации зданий происходит изменение свойств грунтов оснований.

Этот факт необходимо учитывать при проектировании или усилении фундаментов зданий при реконструкции.

Таблица 5.10

Данные об уменьшении коэффициента пористости грунтов в основании эксплуатируемых зданий

(по П.А. Коновалову, А.Г. Ройтману)

Таблица 5.11

Величины модуля общей деформации уплотненных и неуплотненных грунтов