2. Расчет осадок сооружений во времени.

Как отмечено выше (раздел 5.1), все смещения оснований и передающих на них нагрузку сооружений происходят во времени. Поэтому проектирование фундаментов по деформациям предполагает проверку условия (5.1) s ≤ s_u не только по конечным деформациям для стабилизированного состояния основания, но и на различные моменты времени строительного и эксплуатационного периодов, в течение которых происходят изменения деформаций. Деформируемость основания во времени определяется как ростом нагрузки (строительный период – 2 и 3-ий этапы, а также 4 –ый этап, см. раздел 5.1), так и развитием деформаций грунта во времени, связанным с ползучестью скелета грунта либо с медленно протекающим процессом фильтрационного отжатия воды из пор грунта при его уплотнении – называемым процессом фильтрационной консолидации. Определение осадок в различные моменты строительного периода без учета ползучести и консолидации легко выполняется методами, изложенными выше в разделе 5.2. Hиже рассматривается определение осадок, развивающихся в эксплуатационный период, за счет ползучести скелета грунта и процесса фильтрационной консолидации. При кратковременном строительном периоде («мгновенное» приложение нагрузки, см. раздел 5.1) этими явлениями в пределах этого периода обычно пренебрегают, при длительном строительстве учет указанных явлений становится необходимым и обычно осуществляется численными методами.

Как известно (см. раздел 2.5), ползучесть является одним из реологических свойств и характеризует способность грунта деформироваться во времени при постоянной нагрузке (напряжении). Указанное деформирование может протекать в виде затухающей или установившейся ползучести, переходящей всегда, рано или поздно, в зависимости от уровня нагрузок (напряжений) в стадию прогрессирующего течения, заканчивающегося разрушением грунта.

Для зданий и сооружений массового строительства, передающих на грунты преимущественно вертикальные (весовые) уплотняющие нагрузки, обычно в их основаниях имеет место развитие только затухающей ползучести. В этом случае для практических расчетов осадок в различные моменты времени можно использовать результаты длительных компрессионных опытов, представляя зависимость коэффициента пористости e(t) от напряжения и времени уравнением (2.10). При определении осадки, например, для расчетного момента времени t зависимость (2.10) принимает вид обычной спрямленной компрессионной зависимости e = e₀ – a_t∙σ, в которой коэффициент уплотнения a_t = a₀ + a₁[1 – exp(-γ₁∙t)] учитывает кроме мгновенной накопленную к моменту времени t деформацию ползучести (см. раздел 2.5). Oт коэффициента уплотнения a_t можно перейти к модулю деформации E_t = β(1 + e)/a_t (см. раздел 3.2).

Осадка s или s + d определяется методом послойного суммирования (раздел 5.2): при использовании a_t или E_t соответственно по формулам (5.8) или (5.9).

Для оснований некоторых сооружений, передающих на грунты помимо вертикальных значительные горизонтальные нагрузки, возможен выход на стадию установившейся ползучести. Для описания деформации в этом случае применяются зависимости ε = ε(σ, t) в виде степенной или логарифмической, характеризующие деформацию ε, неограниченно возрастающую при t → ∞ [2, 6]. Такие зависимости применяются, в частности, для описания длительной («вековой») деформации.

В предположении развития деформаций установившейся ползучести проектирование сооружений, их фундаментов и оснований осуществляют исходя из условия получения допустимых смещений в течение заданного срока службы сооружения. Этот путь оказывается, как правило, технико-экономически более оправданным, чем другие решения, например, значительное утяжеление сооружения с целью ограничить развитие ползучести только затухающей стадией.

При консолидации (уплотнении) водонасыщенного грунта, происходящей вследствие каких-либо длительных силовых воздействий, наблюдается сближение твердых частиц грунта и уменьшение объема пор (см. раздел 2.1). При этом в поровой воде возникает избыточное по сравнению с существовавшим давление «р», называемое поровым, обуславливающee появление избыточных напоров H = p/γ_в, разность которых в различных точках грунтового массива вызывает движение воды к дренирующим границам области.

Приложенная к водонасыщенному грунту нагрузка в общем случае воспринимается поровой водой и скелетом грунта. Нормальные напряжения в скелете нестабилизированного грунта (эффективные напряжения) всегда меньше, чем в скелете грунта, уплотнение которого можно считать завершившимся. По этой причине нестабилизированный грунт плохо сопротивляется сдвигу, но по мере уплотнения и уменьшения поровых давлений сопротивление сдвигу возрастает, приближаясь к величине сопротивления полностью стабилизированного грунта (см. раздел 2.3).

В настоящее время для описания нестабилизированного состояния грунтов, процесса уменьшения порового давления во времени используют различные модели теории консолидации. При полном заполнении пор водой или относительно малом содержании газа применяется модель двухкомпонентного грунта (твердые частицы + поровая вода). Более общей является модель трехкомпонентной среды, учитывающей влияние защемленного газа. Основные представления и положения теории консолидации, применяемой методики решения задач консолидации водонасыщенных оснований во времени изложены в главе 7 и более подробно в литературе [2, 3, 9, 12].

В результате расчета консолидации получают избыточные напоры Н или давления p_t = γ_вH_t в воде, заполняющей поры, в различные моменты времени t нестабилизированного состояния грунта основания. Непосредственно сами величины Н_t, р_t практического интереса не представляют и необходимы лишь для оценки напряженного состояния, деформаций и прочности грунта в рассматриваемый момент времени, в частности, для расчета осадок сооружений во времени.

При расчете осадок оснований во времени (в нестабилизированном состоянии) применяются те же способы послойного суммирования, что и при определении конечных (стабилизированных) осадок; как правило, используется способ суммирования без учета боковых деформаций (раздел 5.2).

Рассмотрим определение этим способом осадки s_t для момента t нестабилизированного состояния от нагрузки q^/, приложенной к поверхности основания. Основным моментом такого расчета является определение напряжений σ_t^// = σ_z(γ_гр) + σ_zt(q^/), действующих в расчетный момент времени в скелете грунта. Исходя из представлений, изложенных в разделе 2.1 и, в частности, из зависимости (2.7) находим σ_zt(q^/) = σ_z^*(q^/) — p_t, где σ_z^*– стабилизированные напряжения в скелете грунта от действующей нагрузки q^/, используемые (раздел 5.2) для определения конечной осадки; p_t — давление в поровой воде (поровое давление) для расчетного момента времени t, получаемое из предварительно выполняемого решения задачи консолидации (глава 7). В частности, для определения осадки т. О необходимо по результатам решения задачи консолидации иметь значения p_t на вертикали, выходящей из т. О (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Схема к расчету осадки основания в

нестабилизированном состоянии.

По напряжениям σ_t^// по ветви компрессии (рис. 5.2) определяется e₂ для каждого i – го элементарного слоя, выделенных в пределах сжимаемой толщи (активной глубины) Н_a. Осадку s_t для расчетного момента времени t подсчитывают, как и конечную осадку s*, по формуле (5.7). Также могут использоваться зависимости (5.8, 5.9) непосредственной подстановкой в них действующих в момент времени t напряжений σ_zt = σ_z^*(q^/) — p_t.

В случае расчета осадок с учетом боковых деформаций грунта для вычисления величины ε_z по формулам (5.11 – 5.13) необходимо определение не только нестабилизированных напряжений σ_zt, но и суммы нестабилизированных нормальных напряжений θ_t = θ* — 3p_t, где θ* = σ_x* + σ_y* + σ_z*.

Сжимаемая толща (активная глубина Н_а) для нестабилизированного состояния определяется также, как и для стабилизированного. По мере уплотнения грунта, уменьшения давлений в поровой воде p_t и увеличении напряжений в скелете грунта σ_zt активная глубина Н_а увеличивается, постепенно приближаясь к активной глубине Н_а*, соответствующей стабилизированному состоянию грунта.

Определяя осадку для различных моментов времени процесса консолидации, можно построить график осадки сооружения во времени. В результате такого расчета представляется возможным учесть возрастание нагрузки q за время t_стр строительного периода, оценить величину осадки s_стр к концу этого периода и в результате найти осадку за весь период эксплуатации как s_экспл = s* — s_стр, где s* – стабилизированная (конечная) осадка сооружения (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Графики роста нагрузки q в строительный период

и развития осадки s во времени t.

При строительстве ответственных сооружений на сильносжимаемых водонасыщенных грунтах приходится применять превентивные меры по ускорению процессов консолидации, чтобы большая часть конечной осадки произошла либо в строительный период, либо вообще до начала возведения сооружения. Последнее обеспечивается предварительной огрузкой основания отсыпкой временной насыпи из песка, после окончания основной части осадки пригрузка убирается и начинается возведение сооружения. Наиболее эффективным средством ускорения процесса консолидации, т.е. ускорения процесса развития осадки во времени, является дренирование основания путем устройства в нем дрен, значительно уменьшающих пути фильтрации отжимаемой из пор грунта воды. Ранее дрены выполнялись в виде скважин (d ≈ 0,4 м), заполненных песком, в конце XX столетия повсеместное распространение получили ленточные дрены (геодрены), выполненные из синтетических материалов. Такие дрены использовались для ускорения консолидации основания сооружений защиты Санкт-Петербурга от наводнений. При устройстве вертикальных дрен их глубиной и расположением (шагом) в плане можно обеспечить любой срок практического завершения процесса консолидации. Для расчетного определения указанных параметров дренирования методами теории консолидации в настоящее время широко применяются программные вычислительные комплексы на базе высокопроизводительных компьютеров (подробнее – см. гл. 7).