Проектирование лессовых оснований по группам предельных состояний

В России строительные конструкции и основания рассчитываются на нагрузки воздействия по группам предельных состояний. Под предельными подразумеваются такие состояния, при которых конструкции, основание, здание или сооружение перестают удовлетворять эксплуатационным требованиям.

В соответствии с нормами главные положения расчета по методу предельных состояний направлены на обеспечение безотказной работы конструкций и оснований с учетом изменчивости свойств материалов, грунтов, нагрузок и воздействий, геометрических характеристик элементов, условий их работы, а также степени ответственности и значимости проектируемых объектов, определяемой материальным и социальным ущербом при нарушении их работоспособности. При этом особо выделяется надежность строительного объекта, как свойство выполнять заданные функции в течение предусматриваемого периода времени.

Проектирование зданий и сооружений осуществляется по двум группам предельных состояний. Первая связана с расчетами по потере несущей способности (прочности) или полной непригодности и эксплуатации, вторая – по деформациям и непригодности к нормальному использованию. Под нормальным использованием понимают эксплуатацию, осуществляемую без каких-либо ограничений в соответствии с предусмотренными технологическими или бытовыми условиями.

Строительные нормы и правила обуславливают необходимость расчета оснований по несущей способности для ряда случаев. Из них применительно к лессовым грунтам можно выделить следующие:

а) на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки(подпорные стенки, стены подвальных помещений, фундаменты распорных конструкций и т.д.), в том числе сейсмические;

б) сооружение расположено на откосе или вблизи него. Допускается не производить расчета, если конструктивными мероприятиями (например, устройство анкерных креплений подпорных стен или перекрытий над подвалом, применение затяжек для распорных конструкций и т.п.) исключается возможность смещение проектируемого фундамента.

Наступление предельного состояния первой группы означает исчерпание несущей способности лессового грунта или общую потерю устойчивости возведенных зданий и сооружений. При действии на основание преобладающей вертикальной нагрузки такие явления в лессовом основании фундаментов промышленных и гражданских зданий наблюдаются сравнительно редко. Поэтому в инженерной практике наиболее часто выполняют расчеты для обеспечения требований проектирования по второй группе предельных состояний – по деформациям.

Опыт строительства показывает, что нарушение прочности надземных конструкций часто происходит при больших запасах несущей способности основания. По мнению специалистов главная причина аварий кроется в том, что строители, увлекаясь выбором нагрузок на грунт, упускают из виду оценку тех осадок, которые при этом происходят.

Математические условия расчета по деформациям основания могут быть представлены в следующем виде:

P ≤ R; (3.5)

S_n ≤ S_u; (3.6)

(3.7)

или

i ≤ i_u, (3.8)

где р – среднее давление по подошве фундамента при расчете по второму предельному состоянию на основе сочетания нагрузок;

R – расчетное сопротивление грунта под подошвой фундамента при расчете по второму предельному состоянию, вычисленное по формуле (3.2) для характеристик лессового грунта прогнозируемой влажности;

S_n - расчетная (полная) вертикальная деформация основания фундамента;

S_u – предельная (допустимая) вертикальная деформация здания или сооружения в зависимости от материала и проектного решения их надземных конструкций, принимается по СНиП;

- расчетная относительная разность вертикальных деформаций здания или сооружения;

- предельная (допустимая) относительная разность вертикальных деформаций здания или сооружения по СНиП;

i - расчетное значение крена здания или сооружения;

i_u - предельное (допустимое) значение крена здания или сооружения по СНиП.

Для полного соблюдения требований расчете согласно условиям (3.5)-(3.8) при проектировании и строительстве зданий и сооружений на лессовых основаниях применяют специальные комплексы мероприятий, которые будут рассмотрены ниже.

1. ПРОСАДКИ ОТ ДЕЙСТВИЯ СОБСТВЕННОГО ВЕСА ГРУНТА

При замачивании лессовых грунтов наблюдается тенденция к росту относительной просадочности с увеличением обжимающего вертикального давления. При значительной мощности лессовой толщи напряжения от собственного веса грунта могут превзойти начальное просадочное давление, что приводит к проявлению просадочных деформаций в нижних слоях грунта. В случае замачивания лессового грунта из поверхностных источников происходят вертикальные и горизонтальные деформации, имеющие сложный характер. Важнейшими из них являются вертикальные перемещения, называемые просадками. Кроме того, наблюдаются наклоны и кривизна поверхности на границе проявления просадочных деформаций. Отмечаются горизонтальные перемещения в массиве грунта и на дневной поверхности.

Характер проявления просадки и ее значения во многом зависят от размера источника замачивания в плане. Потенциально возможная просадочная деформация наблюдается при замачивании сверху, если котлован, из которого поступает вода, имеет большие размеры. Полностью проявляется просадка от собственного веса грунта, если меньшая сторона В (ширина) котлована в плане равна или превышает просадочную толщу H_sl (рис. 5).

На рис. 5 условно выделены три слоя литологических разностей грунтов, имеющих разные коэффициенты фильтрации k_f. Следует отметить, что лессовые грунты обладают фильтрационной анизотропностью. Коэффициент фильтрации в вертикальном направлении в несколько раз выше, чем по горизонтали. Обычно принято, что угол растекания воды β (рис. 5) в лессовых супесях составляет 35º, в суглинках - 50º, в среднем - 45º.

В полевых условиях установлено, что дно котлована, из которого подтекает вода, проседает неравномерно (рис. 5 б). Обычно равномерное перемещение наблюдается в середине котлована на участке b_w (отрезок ВС). К нему с обеих сторон примыкают криволинейные участки, которые захватывают часть поверхности за пределами контура котлована (точки А и Д).

Рис. 5. Схемы увлажненной зоны при замачивании грунта из котлована

B_w > H_sl (а) и проседания поверхности в различных точках (б)

Расстояние l ₁, на которое растекается вода на границе подстилающего непросадочного грунта, зависит от водопроницаемости последнего. Имеются рекомендации по вычислению l ₁ в общем случае:

, (4.1)

где m_β - коэффициент, учитывающий возможное увеличение угла распространения воды в стороны вследствие слоистости грунтов основания;

H_sl - просадочная толща слоев грунта;

β – угол растекания (распространения) воды в стороны, отмеряемый от вертикальной оси.

Коэффициент m_β принимается равным для лессовой толщи:

однородной – 1,0;

двухслойной при k_f1 < k_f2 – 0.7;

“ “ k_f1 > k_f2 – 1,4;

трехслойной “ k_f1 < k_f2 – 1,7;

“ “ k_f1 > k_f2 – 1.7;

многослойной при различных соотношениях k_f1 – 2,0.

Предполагается, что ширина зоны (рис. 5) замачивания лессового грунта на границе просадочной толщи равна ширине проседающей поверхности грунта

. (4.2)

Определив расчетную длину криволинейного участка просевшей поверхности

, (4.3)

находят ширину участка b_w с равномерными вертикальными перемещениями, которые являются максимальными:

;

. (4.4)

Вполне очевидно, что участок b_w будет наблюдаться при соотношении условий B_w > H_sl.

Просадку от собственного веса грунта при его замачивании из источника с размером B_w > H_sl можно вычислить по формуле

, (4.5)

где ε_sl,i - относительная просадочность i- го слоя, определяемая при давлении, равном напряжениям от собственного веса водонасыщенного грунта в середине рассматриваемого слоя;

h_i - толщина однородного i- го слоя, принимаемая при разбивке просадочной толщи равной 1,0-2,0 м;

k_sl - коэффициент, учитывающий возможные боковые перемещения грунта при проявлении просадок многометровой толщи.

Согласно СНиП 2.02.01-83^* в расчетах просадки от собственного веса грунта рекомендуется принимать коэффициент k_sl, равным 1,0 при H_sl ≤ 15 м и – 1,25 при H_sl ≥ 20 м; при промежуточных значениях H_sl коэффициент k_sl определяется по интерполяции.

Просадка от собственного веса грунта в любой точке криволинейного участка может быть вычислена по формуле

, (4.6)

где S_sl,g - максимальная просадочная деформация, рассчитанная по формуле (4.5);

x - расстояние от центра замачиваемой площади (при B_w = H_sl) или начала горизонтального участка просадки грунта (при B_w > H_sl) до точки, в которой определяется ее значение (в пределах 0 ≤ x ≤ r).

При увлажнении лессовых просадочных грунтов из небольших в плане источников (B_w < H_sl) происходит неполное промачивание просадочной толщи. В этом случае формируется как бы подвешенная зона увлажненного грунта (рис. 6), имеющая в поперечном сечении форму, близкую к усеченному эллипсу. Просадка от собственного веса грунта S_sl,g в таких условиях (при 0 < B_w ≤ H_sl) проявляется в неполной мере и может быть рассчитана по формуле

. (4.7)

При размерах котлована B_w > H_sl в формулу (2.33) подставляют B_w = H_sl.

Рис. 6. Схема увлажненной зоны при замачивании грунта из котлована B_w < H_sl

Согласно СНиП 2.02.01-83^* различают два типа грунтовых условий по просадочности: I тип, когда возможная просадка от собственного веса грунта не превышает 5 см, II тип – превышает. Тип грунтовых условий при проектировании зданий на застроенной территории можно определить по результатам лабораторных испытаний на просадочность. Расчет просадки от собственного веса грунта ведется по формуле (4.5). Для этого просадочная толща разбивается на слои толщиной 1-2 м. Определяется удельный вес грунта i- го слоя в водонасыщенном состоянии по формуле

, (4.8)

где ρ_i и e_i - соответственно плотность (т/м³) и коэффициент пористости лессового грунта i- го слоя естественного состояния и влажности;

g – ускорение свободного падения, которое в инженерных расчетах принимается равным 10 м/с²;

w_i – естественная (природная) влажность грунта в долях единицы;

ρ_w – плотность воды, принимаемая равной 1,0 т/м³.

Затем на границе раздела слоев находят вертикальные нормальные напряжения σ_zg,sat от собственного веса водонасыщенного грунта по формуле

, (4.9)

где п - число слоев грунта, на которое разделена просадочная толща;

γ_sat,i и h_i - соответственно удельный вес и толщина i- го слоя грунта в водонасыщенном состоянии.

Принимая распределение вертикальных нормальных напряжений в пределах каждого слоя по линейному закону, строят эпюру σ_zg,sat по всей глубине просадочной толщи и находят в середине каждого i- го слоя значение σ_zg,sat.

Используя результаты лабораторных определений относительной просадочности или инженерно-геологических изысканий, вычисляют по величине напряжений σ_zg,sat соответствующее значение ε_sl,i в i- ом слое грунта. Суммирование по формуле (2.31) производится в пределах толщины просадочных слоев грунта до непросадочного, где ε_sl,i < 0,01 при напряжении σ_zg,sat или до уровня подземных вод.

В зависимости от полученного расчетом значения S_sl,g лессовые грунты площадки относят к соответствующему типу по просадочности.