Прогноз состояния слабых грунтов

Наличие слабых водонасыщенных грунтов в качестве несущего слоя часто является первопричиной реконструкции здания, так как накапливающиеся осадки вызывают деформацию несущих конструкций. Бывает, что характеристику «слабые» грунтам присваивают уже после длительной эксплуатации здания ввиду подтопления техногенными водами, отсутствия дренажных условий. В других случаях их относят к категории «вторичных слабых» в результате многолетнего оттаивания глубоких сезонно-мерзлых или вечномерзлых грунтов, вследствие теплоотдачи от здания.

Слабые грунты имеют, как правило, высокую влажность (W > W_L), высокое водонасыщение (S_Г = 1), большую пористость (e ≥ 1), низкий модуль деформации (Е < 5 МПа), а также низкую водопроницаемость (К_ф < 0,01 м/сут). Они чувствительны к вибрации, нарушению структуры и часто обладают высокой пучинистостью. Все эти негативные свойства необходимо определить в период исследований, чтобы правильно сделать прогноз по дальнейшему состоянию системы «фундамент-основание» и определить мероприятия и технические решения по усилению грунтов и фундаментов.

Следует помнить, что слабые водонасыщенные, особенно глинистые, грунты представляют собой нелинейную систему. Для них характерны: протекание нелинейных процессов «нагрузка – деформация», процесс фильтрационной консолидации (уплотнение при отжатии несвязанной воды с изменяющимся коэффициентом фильтрации), ползучесть, характеризующаяся длительными малыми деформациями при постоянной нагрузке от здания или вышележащих слоев грунта. Проявление таких деформаций может вызвать релаксацию (снижение) напряжений в грунте. Все названные реологические процессы, протекающие в слабых грунтах, взаимосвязаны, поэтому слабые водонасыщенные грунты следует рассматривать, как сложную систему, требующую повышенного внимания при их исследовании и инженерных изысканиях.

Сложность и нелинейность системы слабых грунтов хорошо описывается моделью Далматова Б.И. (см. рис. 5.8) [30].

Общее давление определяется следующим образом:

Р = σ + U, (5.12)

1) при t = 0 U = P,

σ = 0;

2) при t = t₁ U = U^' < P, здесь t – время,

σ = σ ^' > 0;

3) при t = ∞ U = 0,

σ = P.

Рис. 5.8. Модель работы слабого водонасыщенного грунта (двухфазная система)

Модель представлена сосудом, в который помещен слабый водонасыщенный грунт. Роль скелета (твердые частицы) грунта отведена упругой пружине. Слабый водонасыщенный грунт подчинен законам гидростатики и является практически несжимаемой средой. Вода подчиняется законам фильтрации, скорость отжимания которой диктуется отверстием в крышке сосуда. Под действием силы Р (нагрузка на грунт) вода, воспринимая в начальный момент всю нагрузку (Р = U), начинает отжиматься из сосуда, передавая часть нагрузки на пружину (напряженное состояние U = U^' < Р), имитирующую эффективное давление в скелете грунта (см. рис. 5.8). На любой момент времени общая нагрузка Р распределяется между эффективным давлением σ и поровым U. Здесь скорость уплотнения грунта подчиняется закону фильтрационной консолидации и полностью зависит от скорости отжатия воды из данного объема. На рис. 5.8 показана работа слабого грунта на трех различных временных стадиях. Состояние грунта, прошедшего полную консолидацию, описывается выражением σ = P; U = 0; (t = ∞), где поровое давление отсутствует, а вся нагрузка воспринимается скелетом грунта. Однако такое состояние встречается в реальных грунтах довольно редко. Консолидация грунта характеризуется коэффициентом консолидации, который имеет тесную корреляцию с показателями плотности грунта.

Особенностями состояния слабых водонасыщенных грунтов являются:

− реакция грунтов на внешние нагрузки, зависит от условий дренирования;

− зона уплотнения под фундаментами имеет ограниченные размеры, зависящие от степени отжатия из грунта свободной воды;

− отжатие воды (фильтрационная консолидация грунта) зависит от величины начального градиента напора, который может быть недостаточным для начала фильтрации;

− в слабых водонасыщенных грунтах, как правило, существует высокое поровое давление, которое говорит о незавершенной консолидации грунта и низкой структурной прочности;

− слабый водонасыщенный грунт характерен низкими прочностными свойствами, поэтому необходимо рассмотрение задач об устойчивости грунта под фундаментами здания в связи с его низкой прочностью;

− основное предпочтение при их исследованиях нужно отдавать полевым методам исследований (прессиометрия, зондирование, штампы в скважинах, геофизика).

Необходимо также учитывать следующее: при устройстве искусственных дренажей в городской застройке добиваются удаления воды из слабого грунта из-под фундаментов, при этом грунт уплотняется, уменьшает объем и вызывает осадки существующих фундаментов при водопонижении. Это влияет и на состояние вблизи стоящих зданий. Часто осадки происходят неравномерно и вызывают появление трещин в надземных конструкциях, а также в самих фундаментах [31].

Так, при строительстве метрополитена в г. Екатеринбурге по трассам подземных тоннелей при их проходке пришлось понижать уровень подземных вод на 20−35 м от отметки их природного стояния (3-5 м от поверхности). В результате резкого снижения выталкивающей силы воды (архимедова сила), составляющей 2−3,5·10⁵ Па, грунты «потяжелели» и, разумеется, дали осадку и потянули за собой фундаменты, причем осадки фундаментов, как правило, произошли неравномерно. Все это негативно повлияло на работоспособность и устойчивость надземных конструкций. Аналогичная ситуация произошла со зданием школы-гимназии №2 в Железнодорожном районе г. Екатеринбурга, зданием театра эстрады по ул. 8 Марта, 15 и ряде других общественных и жилых зданий, где произошло активное трещинообразование конструкций, по причине водопонижения при строительстве метрополитена. Вследствие этого пришлось срочно фиксировать каркасы зданий стальными тяжами, а затем производить усиление стальными элементами. За зданиями были установлены технические наблюдения службами эксплуатации и лицензированными организациями. Данные мониторинга, включающие наблюдения за осадками, и динамикой трещинообразования постоянно обрабатываются для оценки технического состояния зданий и оценки прогноза по их дальнейшей эксплуатации.