К проектированию объектов водохозяйственого комплекса на просадочных грунтах – надёжные нормы

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 624.131.4

К проектированию объектов водохозяйственого комплекса на просадочных грунтах - надёжные нормы

Н.Н. Фролов,

О.Н. Черных,

А.М. Будикова

ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия

До сих пор отказы и аварии сооружений на просадочных грунтах при их увлажнении наносят большой урон водохозяйственному комплексу России. Дальнейшее его развитие на территориях, сложенных лессовыми просадочными грунтами (Северный Кавказ, Прикавказье, Юг Черноземной области, Поволжье, Калмыкия, Запад Сибири и т.д.)0, для выполнения требований рационального природопользования и экологической безопасности природоохранной деятельности связано с обеспечением безопасной и надежной работы строящихся и реконструируемых водохозяйственных сооружений и комплексов.

Происходящие до сих пор аварийные просадочные явления при случайном или технологическом замачивании оснований сооружений объясняются как большой трудно учитываемой пестротой залегания и природной неоднородностью покровных лессовых пород, так и недостаточной изученностью процессов взаимодействия сооружений и их оснований в процессе просадки.

К сожалению, практика проектирования и строительства водохозяйственных объектов на просадочных грунтах не обеспечена надежной нормативной документацией. Действующие ВСН 33.2.2.06-85 («Оросительные системы на просадочных грунтах») бывшего Минмелиоводхоза имеют настолько серьезные недостатки, что нуждаются в пересмотре основных расчетных положений в соответствии с уровнем научно-технического прогресса и накопленного с момента их издания (1984-1985 гг.) нового прогрессивного материала. Кстати, в связи со сказанным, по принятым положениям «Технические нормы «обновляются каждое десятилетие, так что и с этой точки зрения ВСН 33.2.2.06-85 необходим пересмотр. водохозяйственный грунт просадочный

Рассмотрим недостатки ВСН и те новые конкретные предложения, которые могут послужить в качестве материала для их новой редакции.

Прежде всего, необходимо в ВСН привести трактовку расчетных предельных состояний в соответствии с современными требованиями. В ВСН классификация предельных состояний дается по старым, еще пятидесятых годов, нормам - по виду явлений: первая группа - потеря несущей способности основания; вторая группа - предельные деформации. По современной же классификации предельные состояния разделяются на группы по степени их ответственности для возможности дальнейшей эксплуатации сооружений: первая группа - предельные состояния, исключающие возможность дальнейшей эксплуатации сооружения; вторая группа - лишь затрудняющие нормальную эксплуатацию.

В соответствии с ВСН просадка S_sl как явление, относится к деформациям, то есть ко второй группе предельных деформаций, так же как и другие малоопасные деформации лессовых грунтов (осадка S_p грунта исходного состояния под нагрузкой от возводимого сооружения, S_wt - послепросадочное уплотнение при длительной фильтрации через основание; S_sf - суффозионная осадка, если лессовый грунт одновременно является засоленным), затрудняющим нормальную эксплуатацию сооружения. Вместе с тем, по современным взглядам на просадку, она происходит из-за потери просадочным грунтом прочности при увлажнении, разрушения его структуры (явление первой группы) и выражается в появлении чрезвычайной резких и неравномерных локальных деформаций с возникновением разрушительных трещин, приводящих сооружение к полной непригодности к эксплуатации, к авариям и разрушению.

Таким образом, просадка и по виду явления (потеря прочности грунтом основания при замачивании), и по результатам - приведению в непригодность к эксплуатации сооружения, - безусловно, относится к первой группе предельных состояний, как это и классифицируется в «Основных положениях» СНиП 2.06.01-82 «Гидротехнические сооружения». Поэтому просадка, во-первых, должна обязательно выделяться при расчете из других видов деформаций лессовых оснований (относимых ко второй группе предельных состояний), а, во-вторых, подсчитываться с использованием расчетных деформационных характеристик просадочности е_sl, учитывающих их вероятностную изменчивость по строительной площадке с помощью коэффициента надежности по грунту г_g, как это делается по «Нормам» при расчете по первой группе предельных состояний для прочностных характеристик грунта (удельного сцепления С и угла внутреннего трения ц), тем более, что степень просадочности е_sl отличается существенно большей изменчивостью по сравнению с упомянутыми прочностными характеристиками.

Учитывая вышесказанное, следует признать формулу (7) ВСН, приведенную ниже (1), как не отвечающую современным положениям расчета по предельным состояниям и не соответствующую общепринятым взглядам на процессы просадочности лессовых оснований сооружений

, (1)

где S_w - деформация при увлажнении грунта основания (просадка S_sl в сумме с послепросадочной деформацией S_wt); е_sl.p - относительная просадочность грунта i-го расчетного слоя толщиною h_i при расчетном давлении р, устанавливаемая по формуле по результатам компрессионных испытаний

, (2)

где ?_рб - деформация образца при обжатии его природным давлением; ?_sl - деформация образца после замачивания его при расчетном давлении; h_н - начальная высота образца, равная высоте кольца компрессионного прибора; - коэффициент, учитывающий гистерезис деформации грунта, определяемый по приложению 3 ВСН; m_р - коэффициент, учитывающий влияние размеров и формы площади замачивания, определяемый по приложению 3 ВСН; m_б - коэффициент, учитывающий формоизменение (боковые деформации) грунта в пределах сжимаемой зоны основания, определяемой по приложению 3 ВСН; m_wt - коэффициент, учитывающий длительность увлажнения грунта

. (3)

При отсутствии опытных данных его значение определяют по вышеназванному приложению ВСН; е_wt - относительная деформация послепросадочной осадки S_wt, определяемая длительными компрессионно-фильтрационными испытаниями.

Рассмотрим теперь критически положения этой формулы (1).

1. Как сказано выше, неправомочно объединение в одну деформацию S_w двух совершенно различных деформаций: просадки S_sl и послепросадочной осадки S_wt. Хотя обе они и вызываются одним явлением - замачиванием, но резко отличаются друг от друга как по природе происходящих процессов, сроками, величинами, скоростью, длительностью и неравномерностью проявления, так и по воздействию на эксплуатационную пригодность сооружения, и относятся к факторам разных групп предельных состояний, почему и требуют обязательно раздельного расчета.

2. Ошибочен сам прием определения величины S_w при замачивании через коэффициент m_wt. По такой интерпретации (с помощью формулы (3)) просадка лессового массива, сложенного слабо или вообще непросадочным, но сильно засоленным грунтом, при коэффициенте m_{w t}>2…3 (когда е_wt намного превосходит е_sl), будет отнесена к сильнопросадочной категории со всеми вытекающими при проектировании последствиями.

3. Принятие в расчетах просадки компрессионной модели сжатия (одноосная задача) и компрессионных характеристик просадочности (сжатие без возможности бокового расширения) требует корректировки для других возможных моделей и случаев напряженного состояния грунтов основания реальных сооружений.

4. Определять е_sl.p по формуле (2) не следует. Учет в ней гистерезиса образца грунта совершенно неправомерен, ибо он не имеет никакого отношения к просадке, так как реализуется на начальном этапе лабораторного опыта, еще до доведения образца до расчетной нагрузки. Кроме того, нарушается основное правило моделирования деформаций, какими и являются компрессионные испытания, по которому для определения относительных деформаций реального основания все величины деформаций образцов грунта должны относиться к исходной высоте образца природных влажности и давления h_пg, а не к высоте кольца h_к, как в знаменателе формулы (2).

5. Применение коэффициента m_p следует признать нецелесообразным, ибо заранее спрогнозировать форму и размеры источника замачивания на оросительной системе (для учета возможного неполного промачивания массива, снижающего величину просадки) не представляется возможным. Поэтому в целях большей надежности расчета ожидаемой просадки лучше ориентироваться на полное промачивание просадочной толщи и проявление полной величины просадки как на наиболее наихудшие сочетания явлений.

С учетом последних представлений о процессах взаимодействия сооружения и лессового основания в стадии просадки для определения размера просадочной деформации S_sl при расчете по первой группе предельных состояний рекомендуется полученная нами (1) решением по смешанной модели предельного равновесия грунта и линейно деформируемой среды формула

, (4)

где г_n - коэффициент по ответственности гидросооружения, г_n = 1,15; е_sl.i - расчетное значение относительной просадки i-го слоя грунта при расчетном (суммарном в зоне напряжений от сооружения) давлении в середине слоя, принимаемое по величине нормативного (среднего) значения по выражению

, (5)

где г_g - коэффициент надежности по грунту, устанавливаемый статистической обработкой экспериментальных данных выборки е_sl по строительной площадке и подсчитываемый по формуле

, (6)

где x - показатель точности оценки среднего значения из n-го количества частных определений е_sl, принимаемый в зависимости от заданной доверительной вероятности б (б = 0,95, как при расчетах оснований гидросооружений), степени свободы (n - 1) и коэффициенте вариации , где у - среднее квадратическое отклонение величины е_sl от нормативного (среднеарифметического) значения ; к_б - коэффициент условий работы для напряженной зоны от нагрузки сооружения, учитывающий боковое расширение грунта; для ширины подошвы b ? 3 м к_б = 1,60, а для b = 12 м к_б = 1; для промежуточных величин b устанавливается интерполяцией.

Расчетное напряжение в «несущем столбе» основания, образующего зону предельного напряженного состояния (предельного равновесия) под подошвой сооружения на глубину Z_пр.п, подсчитываемую по формуле

, (7)

где b и d - соответственно, ширина и глубина заложения фундамента;

коэффициент активного бокового давления; ц - угол внутреннего трения грунта в водонасыщенном состоянии; принимается суммарным и равным

р_сум= р+р_gz,

где р - среднее давление от сооружения, постоянное по всей глубине Z_пр.п; р_gz - природное давление от собственного веса замоченного грунта на глубине d+Z.

Размеры других упомянутых выше видов деформаций просадочного грунта для раздельных расчетов по второй группе предельных состояний подсчитываются по общепринятым в механике грунтов формулам с использованием компрессионных характеристик относительных деформаций по общей формуле

, (8)

где u - индекс вида деформации (S_р, S_wt, S_sf ); е_u.i - относительная деформация данного вида, полученная по соответствующим общепринятым методикам. Основной расчетной формулой является условие расчета по предельным деформациям

S_n?S_пред.u , (9)

где S_пред.u - предельная деформация данного вида для проектируемого сооружения, устанавливаемая Нормами или назначаемая проектом по технологическим условиям.

Библиографический список

1. Фролов Н.Н., Жакапбаева Г.А., Аль Шалаби Басам. Прогноз совместной просадки гидросооружений и лессовых оснований с учетом положений модели теории предельного равновесия. // Природообустройство и экологические проблемы водного хозяйства и мелиорации. Тез. докл. М.: МГУП, 1999.

Размещено на Allbest.ru