книги из ГПНТБ / Мустафаев, А. А. Вопросы расчета зданий и сооружений на просадочных грунтах учебное пособие

Министерство высшего и среднего специального образования Азербайджанской ССР

АЗЕРБАЙДЖАНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. Ч. ИЛЬДРЫМА

Мустафаев А. А. д. т. н ., профессор

Вопросы расчета

зданий и сооружений

на просадочных грунтах

Рекомендовано Советом гидромелиоративного факультета в качестве учебного пособия для сту­ дентов строительных специальностей втузов

Б а к у — 197 4

П Р Е Д И С Л О В И Е

Настоящая книга является учебным пособием по курсу «Механика грунтов, основания и фундаменты» для студентов инженерно-строительных и гидротехнических высших учеб­ ных заведений и факультетов, а также студентов смежных специальностей, связанных со строительством инженерных сооружений. Она может быть использована также аспиранта­ ми и инженерами-проектировщиками.

В связи с бурным развитием строительства в районах рас­ пространения лессовых просадочных грунтов вопросы расчета прочности и устойчивости зданий и сооружений, чувствитель­ ных к неравномерным осадкам оснований, приобретают боль­ шое научно-практическое значение. Прогнозирование напря­ женно-деформированного состояния зданий и сооружений при неравномерной осадке (просадке) их оснований связано с соз­ данием обоснованных теорий расчета совместной работы ос­ нования и надземного строения. Эта весьма прогрессивная отрасль строительной механики в настоящее время развивает­ ся на основе исследований двух следующих главных вопросов теории расчета конструкций на сплошном упругом основаг нии — создания моделей грунтовой среды, наиболее реально отражающей совместную работу конструкций и грунта осно­ вания, и разработки эффективных методов решения краевых задач, сформулированных на основе созданных моделей.

В настоящей работе даются методы решения задач на осно­ ве моделей местных упругих деформаций и «убывающей функ­ ции». Осложнения, связанные с использованием этих моделей, возникают при решении дифференциального и интегрального уравнения сформулированных задач.

Модель местных упругих деформаций приводит задачу к линейному неоднородному дифференциальному уравнению четвертого порядка с переменными коэффициентами. Для по­ строения эффективных решений этих задач в книге дается раз­ работанный автором метод последовательного приближения, позволяющий без особого математического осложнения учесть

3

переменность коэффициента упругости грунтовой среды и жесткости изгибаемых конструкций и получить результаты в быстросходящихся степенных рядах.

Модель «убывающей функции» приводит задачу к инте­ гральному уравнению первого рода, которое решается мето­ дом разложения решения в степенные ряды. Эта модель поз­ воляет также получить компактные решения многих часто встречаемых в практике задач расчета фундаментных балок или полос, подверженных произвольным внешним нагрузкам.

Вначале работы даются основы разработанных автором методов расчета просадки лессовых грунтов.

Впоследней главе сравнительно подробно излагается но­ вая теория расчета крупнопанельных зданий на просадочных грунтах. Рассматриваемые задачи ставятся в более общей по­

становке — здание имеет переменную по длине изгибную и сдвигаемую жесткости, увлажняемые грунты основания харак­ теризуются переменным коэффициентом жесткости. Решение сформулированных при этих предположениях задач строится разработанным автором методом последовательного прибли­ жения. На основе полученных общих решений даются примеры расчета зданий с учетом их изгибной и сдвиговой жесткости, а также переменности коэффициента жесткости увлажняемых просадочных грунтов основания.

Многие излагаемые в настоящей книге расчеты являются дальнейшим развитием разработанных автором методов, а также его идей, частично нашедших отражение в трудах его учеников С. К. Алиева, К. М. Мамедова, М. Д. Джафарова, С. А. Ханалиева, Б. Г. Исмаилова и др.

Некоторые важные результаты этих исследований были опубликованы в трудах VII Международного конгресса по меха­ нике грунтов и фундамеитостроепию в Мексике (Мехико 1969 г.), Второй национальной конференции по механике грун­ тов и фундамеитостроепию в Румынии (Бухарест—1971 г.), Пятой Европейской конференции по механике грунтов и фуидаментостроению в Испании (Мадрид—1972 г.), а также доло­ жены на многих научно-технических конференциях.

Автор надеется, что ознакомление студентов и аспирантов с изложенными в настоящей работе методами расчетов и ис­ пользование их при разработке курсового и дипломного проек­ тирования, а также научных исследованиях окажет определен­ ную пользу и может способствовать подготовке высококвали­ фицированных инженерных кадров и молодых научных работ­ ников в области строительства.

4

Г л а в а 1

ВВЕДЕНИЕ В МЕХАНИКУ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ

§ 1. Особенности лессовых грунтов, природа и сущность их просадочных деформаций

Среди глинистых грунтов континентального происхожде­ ния четвертичного периода особое мест* занимают лессовые и лессовидные породы, отличающиеся своеобразным составом и свойствами.

Своими особыми, не встречающимися у других глинистых грунтов, просадочными свойствами, они издавна привлекали к себе большое внимание ученых, инженеров-геологов и строителей.

Покрывая значительную часть суши всего земного шара (более 2,5%), эти породы широко распространены в Южной и особенно в Северной Америке, в Европе и Азии. Встречаются они и в восточной и южной частях Новой Зеландии и в Север­ ной Африке.

Наиболее характерные лессовые породы распространены на огромной территории в Северном Китае, а также в Мон­ голии и северной части Индии.

На территории нашей страны лессовые грунты имеют боль­ шое распространение, занимая примерно 35%площади евро­ пейской части и около 7%—азиатской. На Украине они охва­ тывают свыше 70% всей территории республики, имея самые разнообразные свойства. На Северном Кавказе'и в Закавказ­

ских республиках эти породы в большом масштабе встре­ чаются в районах орошаемого земледелия, а также промыш­ ленного и жилищного строительства.

Лессовыми и лессовидными породами заняты более 25% общей территории центральной и южной частей Средней Азии, а также значительные площади в западной части ЗападноСибирской низменности.

Изучением лессовых грунтов занимались видные русские ученые: Л. С. Берг, И. П. Герасимов, К- И. Лисицын, В. А. Обручев, А. П. Павлов, Б. Б. Полынов, П. А. Тутковский, И. И. Трофимов и др., которые создали ряд оригинальных тео­ рий о происхождении этих грунтов: эоловая, водно-леднико­ вая, пролювиальная, делювиальная, аллювиальная, почвен­ но-аллювиальная и другие. Среди указанных теорий большим распространением пользуются эоловая, водно-ледниковая и пролювиальная гипотезы.

5

Сторонники теории эолового происхождения лессовых грун­ тов объясняют образование их на водоразделах в результате накопления на этих территориях пылеватых частиц, приноси­ мых ветром из прилегающих пустынь. При этом они основы­ ваются на том, что размер частиц в лессе соответствует раз­ меру пылеватой частицы, переносимой ветром, п считают при­ садочными только лессовые грунты эолового происхождения, отлагавшиеся в условиях резкого недостатка воды. К. сторон­ никам эолового происхождения лессовых грунтов относятся также П. А. Тутковскпй, В. А. Обручев, считавшие образова­ ние этих грунтов из продуктов развевания моренных и эондровых отложении в условиях сухого климата ледниковых эпох.

Авторы других теории происхождения лессовых грунтов находят связь в их образовании и сходство с делювиальными отложениями на склонах, равнинных областях и постепенным переходом от делювия горных областей к лессовым грунтам предгорий (делювиальная теория); с распространением лессов с границами оледенении (водно-ледниковая); приурочен­ ностью Лессовых грунтов к долинам рек и их террасам (аллю­ виальная теория); с характером залегания и текстурой лессо­ вых грунтов с породами, из которых они образовались (поч­ венно-аллювиальная теория) и др.

Проблема лесса и лессовидных пород центральной и юж­ ной частей Средней Азии, включая их происхождение, разно­ видности генетических типов и особенности их физико-механи­ ческих свойств, подробно исследована Г. А. Мавляновым [1].

Лессовые породы, как правило, занимают покровное поло­ жение, залегая на самых различных геоморфологических эле­ ментах. Подстилаются лессовые породы разнообразными по

отдельных случаях достигает даже более 100 м. В природных условиях недоуплотненное состояние характерно для лессовых грунтов эолового, делювиального и пролювиального проис­ хождений, слагающих сравнительно мощные толщи на Север­ ном Кавказе, в Средней Азии, Закавказье и других районах нашей страны.

Характерными внешними признаками лессовых пород яв­ ляются видимая невооруженным глазом пористость (макрост­ руктура), обусловленная наличием тонких, более или менее вертикальных канальцев; способность держаться вертикаль­ ными обрывами значительной высоты в открытых местах, под­ вергающихся действию атмосферных осадков; быстрая размокаемость в воде; отсутствие мелкой слоистости; светлая окрас-

6

ка в сухом состоянии; наличие ходов мелких животных — кротовин, заполненных черноземом и идущих на значитель­ ную глубину.

Лессовые грунты, достаточно прочные в естественных усло­ виях, при увлажнении под действием веса здания и сооруже­ ния, а иногда и только от действия собственного веса дают дополнительную деформацию, называемую просадкой. Про­ садка в лессовых грунтах представляет неравномерные по ха­ рактеру и большие по величине деформации, преимуществен­ но вертикального характера, происходящие вследствие суще­

нустот), свойственный лессовым грунтам с относительно глу­ боким залеганием уровня грунтовых вод, обусловленных огра­ ниченным количеством осадков в условиях засушливого кли­ мата; наличие некоторого значения уплотняющего напряжения, под действием которого деформация увлажняемого массива лессового грунта приобретает просадочный характер; проник­ новение в грунт в течение определенного периода времени слабоминерализованной воды в количестве, обеспечивающем создание в промачиваемом массиве достаточно увлажненной зоны с влажностью, отвечающей данному виду грунта и его напряженному состоянию; своеобразный гранулометрический

тов), покрывающих трубчатые пустоты комплекса грунта, об­ уславливающим коагуляцию мелких частиц в агрегаты, спо­ собствующие повышению фильтрационных свойств лессовых грунтов.

Причина просадочности долгое время описывалась различ­ ными гипотезами, объясняющими потерю связности и наруше­ ние устойчивости грунта влиянием уменьшения сил капилляр­ ного давления, гидродинамического давления воды на грунто­ вой каркас, бурного выделения из грунта вытесняемых водой пузырьков воздуха, растворения тех кристаллов солей, кото­ рые наряду с воднорастворимыми частицами участвуют в строении скелета грунта, уменьшения цементации скелета по мере растворения солей, играющих роль цемента и др.

7

Наиболее достоверной, по современным воззрениям, счи­ тается выдвинутая Н. Я. Денисовым [2] теория образования недоуплотненного состояния лессовых, сформировавшихся эоловым, делювиальным или пролювиальным путями в усло­ виях сухого климата. Согласно этой теории, агрегаты частиц таких грунтов при увлажнении, вследствие устранения сцепле­ ния упрочнения, подвергаются структурным деформациям, вы­ разившимся в «распылении» (пептизацпи) па элементы, раз­ меры которых позволяют им проникать в имеющиеся в грунтах свободные поры. Природа распиливающего влияния воды при этом сказывается как расклинивающим действием проникших в мпкротрещпны цемента влаги (по Б. В. Дерягину [3]), так и растворяющим, приводящим к понижению размеров сцепле­ ния упрочнения в результате длительного воздействия боль­ шого количества воды.

Следствием просадочиых деформаций являются — уплот­ нение грунта за счет сближения частиц грунтового скелета, выражающегося в уменьшении пористости и соответственно увеличении объемного веса, приводящее к последовательному проявлению вертикальных трещин и опусканию промачивае­ мых участков; приобретение грунтом более устойчивой струк­ туры, по сравнению с естественным его состоянием; обеднение просевшей части массива водпорастворнмыми солями. Факто­ рами, обуславливающими, как правило, величину просадки, в условиях природного напряженного состояния являются на­ чальная пористость и естественная влажность грунта; мощ­ ность и однородность просадочной толщи лессового грунта; характер, продолжительность и размеры источника увлажне­ ния толщи грунта.

Несмотря на наличие многочисленных исследований, по­ священных изучению причин возникновения просадочного яв­ ления в лессовых грунтах, на сегодняшний день полностью не установлен механизм просадочиых деформаций в лессовых грунтах. Существующие теоретические предпосылки из-за не­ достаточной изученности взаимосвязи комплекса факторов, определяющих закономерности механики просадочиых дефор­ маций, также не позволяют разработать теоретически обосно­ ванные методы прогнозирования процесса просадки для каж­ дого случая проектирования увлажняемых оснований зданий и сооружений.

Одним из первых предположений, объяснивших механизм процесса просадки в лессовых грунтах, была солевая гипоте­ за, предложенная еще в 1930 г. Б. Б. Полыновым [4] и С. В. Быстровым [5]. Основной причиной просадочности изученных

8

ими лессов Северного Кавказа они считали выщелачивание солеи, происходящее при их увлажнении. Другие исследовате­ ли (Замарин Е. А., М. М. Решеткин, Глаголев А. Г., Мавлянов Г. А.) связывают просадочность лессовых грунтов с высо­ кой пористостью и присутствием в них воднорастворимых со­ лей.

Большинство гипотез, объясняющих сущность явления просадочности (Б. Б. Полынов, Ф. И. Воронов, Ф. Л. Андрухин, Г. II. Архангельский, Ф. П. Саваренский, Л. П. Розов и др.), сводится к тому, что причиной сил сцепления в лессо­ вых грунтах являются разного рода воднорастворимые соли, которые играют роль цемента между отдельными частицами грунтового скелета и обеспечивают кажущуюся связность грун­ та при естественной его влажности. Таким образом, согласно этой концепции, причиной образования просадки при увлаж­ нении толщи лессовых грунтов является растворение цемен­ тирующих солей.

Более детальные исследования просадочности лессовых грунтов в связи с различным содержанием в них воднораство­ римых солей установили явное несоответствие между величи­ ной просадочности и количеством содержащихся в них водно­ растворимых солей; Н. Я. Денисов и А. М. Дранников [б], критикуя солевую гипотезу, доказывали, что соли вследствие их цементирующего действия могут снижать просадочность лессовых пород, но однако растворение их при увлажнении не может служить причиной возникновения в них значительных по величине и неравномерных по характеру дополнительных деформаций. Н. Я- Денисов на примерах майкопских, юрских, хвалынских глин, обладающих большой пористостью и нали­ чием крупных пор, указал на то, что просадочность связана с высокой пористостью, но одной только высокой пористостью не может быть объяснено возникновение просадочности поро­ ды, так как наличие макропор характерно также и другим глинистым просадочным породам. Кроме того, согласно Н. Я. Денисову [7], макропоры не только не оплывают, способствуя просадке породы, а наоборот многие из них остаются в породе устойчивыми элементами строения после проявления просад­ ки. Были попытки также объяснить причину возникновения просадки лессовых грунтов вследствие исчезновения менисков воды между частицами при их насыщении водой, согласно ка­ пиллярной теории К. Терцаги.

Более обоснованная интерпретация процесса просадки, ис­ ходя из фпзико-хнмии, дана Н. Я. Денисовым [2], согласно которой прочность лессовых грунтов в естественном состоянии обусловлена в основном углекислым и сернокислым кальцием,

9