Две группы предельных состояний

Современные геотехнические нормы и механика грунтов

Расчетный аппарат механики грунтов традиционно базируется на механике сплошного деформируемого тела. Теории упругости, пластичности, ползучести нашли широкое применение в различных моделях работы грунтовых оснований, дополненных специфическими особенностями грунтов как многофазной среды. В то же время отечественная практика проектирования оснований и фундаментов зданий и сооружений практически полностью игнорирует знания, накопленные в области механики грунтов. Причиной этого является прежде всего несовершенство нормативной базы в области строительства. Существующие строительные нормы и правила не побуждают расчетчика и проектировщика повышать уровень знаний в области оснований и фундаментов, ограничивая его простейшими подходами, основанными на линейной теории упругости и теории предельного равновесия. Такое ограничение было естественным в докомпьютерную эпоху, когда при интенсивном массовом строительстве приоритетным качеством была простота расчетных схем и, соответственно, скорость выдачи проектного решения. Издержки такого подхода, как правило, не были заметны при общем затратном механизме экономики. В современной же ситуации, когда, с одной стороны, неизмеримо возросли возможности расчетчика - проектировщика, владеющего современной компьютерной техникой и методами расчета, а, с другой - появился частный заказчик и инвестор, заинтересованный в экономически эффективных и надежных проектных решениях, действующие нормы во многих случаях становятся препятствием для успешного и безаварийного строительства, в особенности при сложной реконструкции.

Действующие нормы, при их краткости, претендуют на полный охват предмета и самодостаточность для проектирования. В них проектировщик находит не только критерии, которыми должен руководствоваться, но и саму процедуру выполнения расчетов. Между тем в современной международной практике аналогичные по статусу обязывающие документы (ЕUROCOD, например) отнюдь не навязывают проектировщику какую-либо последовательность математических действий, напротив, они оставляют ему полную свободу в области расчетов, указывая на необходимость учета ряда факторов и явлений в различных геотехнических ситуациях, а также предъявляя определенные требования к расчетам и проекту.

Несовершенство отечественных строительных норм в наибольшей степени проявляется в области сложной реконструкции. Действующие общероссийские нормы не содержат требований по ограничению дополнительных осадок соседних зданий, обусловленных возведением вблизи них нового строения. Отсутствуют также требования по ограничению технологических воздействий от нового строительства на соседние здания.

Справедливой критике подвергался и рекомендуемый СНиП 2.02.01-83* способ расчета осадок, совершенно непригодный, как это следует из исследований С. Н. Сотникова (1986), для оценки деформаций оснований, сложенных слабыми глинистыми грунтами.

Существенным шагом вперед являются изданные в Петербурге ТСН 50-302-96, которые регламентируют предельные дополнительные осадки соседних зданий при возведении в примыкании к ним нового строения, а также допускают применение современных расчетных моделей механики грунтов и их численных реализаций. Тем не менее этим нормам также свойственна мелочная регламентация расчетов и проектирования, создающая иллюзию того, что приведенная в них информация является исчерпывающей. В то же время в нормах не рассмотрен вопрос воздействия технологических факторов при новом строительстве на грунты основания и сложившуюся застройку.

В некоторой степени указанный пробел восполняют ВСН 490-87, регламентирующие предельно допустимые осадки зданий и допускаемый уровень колебаний при вибропогружении свай и шпунта. По этим нормам оценивают и все иные технологические режимы (бурение скважин под сваи, забивку свай и т.д.).

Следует отметить, что действующие нормы не согласованы между собой. В результате при строительстве и реконструкции зданий в условиях плотной городской застройки складывается следующая ситуация Проектировщик, исходя из результатов обследования окружающих зданий,выбирает такой вариант фундаментов нового или реконструируемого здания, который обеспечивает их минимальную осадку (допустим, 2см для кирпичных зданий III категории состояния по ТСН 50-302-96). Подрядчик при разработке проекта производства работ, исходя из ВСН 490-87, ограничивает динамические и иные воздействия машин и механизмов таким образом, чтобы в процессе строительства ветхие соседние здания не получили осадок, превышающих допустимые значения (1,5см для здания рассматриваемой категории). Таким образом, в самих нормах заложена суммарная дополнительная осадка здания на 3,5см, т.е. его разрушение.

Наиболее прогрессивными нормативными документами являются изданные в Москве в 1997г региональные нормы и развивающие их рекомендации.

Тем не менее, весьма актуальным остается вопрос создания единой методики расчетного обоснования, включающей не только оценку осадок зданий при дополнительном статическом нагружении основания, но и анализ деформаций массива грунта при различных технологиях работ нулевого цикла.

Существует два основных принципа расчета оснований: по I и II группе предельных состояний.

Расчет по I группе предельных состояний заключается в удовлетворении условию

N₁≤

где N₁ - нагрузка на основание, определенная как нормативная нагрузка, умноженная на коэффициент γ_f надежности по нагрузке (γ_f>1); N_u - несущая способность основания; γ_с - коэффициент условий работы, зависящий от вида фунта, технологических условий строительства, размеров сооружения и т.д.; γ_n - коэффициент надежности (γ_n>1), принимаемый в зависимости от класса ответственности сооружения.

При расчете по I группе деформации основания и сооружения не рассматриваются. Такие расчеты выполняются для определения устойчивости откосов и подпорных стен; оценки устойчивости фундаментов на вертикальную, горизонтальную и моментальную нагрузки; определения несущей способности свай; при проектировании массивных фундаментов; рассмотрении скальных оснований и оценке несущей способности оснований в особых условиях строительства (сейсмически опасные районы, вечномерзлые грунты и т.п.).

Основная задача расчетов по I группе предельных состояний -установление и совершенствование методов определения несущей способности N_u. Основой аналитических методов определения несущей способности основания, как правило, является теория предельного равновесия. Понятие "предельное состояние" - основная категория этой теории. Под ним подразумевается такое напряженное состояние основания, при котором малейшее увеличение нагрузки или малейшее снижение прочности основания приводят к потере устойчивости массива грунта. Поскольку деформации основания не рассматриваются, основными характеристиками грунта, фигурирующими в расчетах, являются прочностные параметры и коэффициент трения по контакту грунта с конструкцией.

Предельное состояние грунта описывается, как правило, критерием Кулона - Мора:

τ=σtgφ+ с (3.1)

где с - удельное сцепление; φ - угол внутреннего трения.

Расчеты по I группе предельных состояний могут выполняться для стабилизированного и нестабилизированного состояний грунта. Под стабилизированным принято подразумевать некоторое конечное состояние покоя, в котором деформации грунта под приложенной нагрузкой уже завершились. Нестабилизированное состояние отвечает, соответственно, незавершившимся деформациям.

Исходное (природное) состояние грунта характеризуется параметрами прочности, определенными по результатам неконсолидированных испытаний. Если стабилизированное состояние наступило вследствие завершения деформаций уплотнения, принято использовать консолидированные характеристики прочности. Если же имели место деформации формоизменения и уменьшения пористости грунта не произошло, следует применять неконсолидированные параметры прочности.

При рассмотрении нестабилизированного состояния используют неконсолидированные характеристики. В механике грунтов распространентакже подход, основанный на применении в задачах устойчивости принципа эффективных напряжений Терцаги.

Исходя из предположения о том, что сопротивление сдвигу может оказывать только структурный каркас (скелет) грунта, тотальные напряжения в выражении (3.1) заменяют эффективными:

τ=(σ-U)tgφ+ с (3.2)

где U - поровое давление.

В выражении (3.2) φ и с - консолидированные характеристики. Запись критерия прочности в форме (3.2) имеет весьма важные гносеологические последствия. В частности, на ней строится представление о роли порового давления как основного фактора, приводящего к потере устойчивости основания. Такой подход в настоящее время является общепринятым, несмотря на вполне обоснованную критику Н. Я. Денисова, Н. Н. Маслова, И. М. Горьковой и др., указывающих на подчиненную роль порового давления по отношению к основной причине потери устойчивости, заключающейся в нарушении прочности структурных связей в грунте.

В теории предельного равновесия в некоторых случаях используют иную характеристику прочности - расчетное сопротивление основания (R₀, R_у, R), определяемое из испытаний на одноосное сжатие (для скальных и полускальных грунтов) или эмпирических соотношений.

Расчет по II группе предельных состояний заключается в удовлетворении условию

S≤S_u; (ΔS/L)≤(ΔS/L)_u

где S - осадка фундамента (сооружения); ΔS/L - относительная неравномерность осадок. Индексом "u" отмечены соответствующие предельно допускаемые значения, определяемые условиями безопасной и комфортной эксплуатации здания (сооружения), а также технологическими требованиями в условиях различных производств.

Большое разнообразие грунтов привело к возникновению множества методов расчета осадок и, соответственно, моделей работы грунтов. Полное описание разработанных в отечественной и зарубежной науке моделей и методов расчета в рамках данного обзора не представляется возможным Тем не менее можно выделить и систематизировать основные направления развития теоретической базы механики грунтов.

Любая модель, претендующая на использование при описании явлений, происходящих в грунтах, должна:

1) обеспечивать соблюдение законов и принципов механики деформируемых сред, одним из разделов которой является механика грунтов;

2) отражать характерные особенности данного вида грунта, проявляющиеся в его поведении при воздействии различных факторов;

3) определять связь между напряжениями и деформациями.

Очевидно, что одним из условий успешного построения прикладной модели является достоверное определение физико-механических параметров, входящих в ее расчетный аппарат.

В связи с тем, что процесс деформирования грунта запаздывает по отношению к процессу нагружения, расчеты осадок при статическом (квазистатическом) нагружении могут осуществляться по двум направлениям:

• определение конечных осадок;

• определение осадок во времени.

Динамическое приложение нагрузки (ударное, вибрационное) в данном обзоре не рассматривается.

Дата добавления: 2013-12-12