5.3. Врахування повзучості грунтів при прогнозі осідань споруд

При розрахунках осідань підґрунть споруд (їх величини і про­тікання у часі з урахуванням повзучості ґрунтів) важливо встановити, коли застосовувати ту або іншу теорію деформації ґрунтів: одну теорію повзучості або з одночасним урахуванням фільтраційної консоліда­ції, або з урахуванням стисливості порової води, структурності ґрунтів і т.п.

Необхідно розглянути значення двох основних чинників: природної ущільненості і ступеня водонасиченості ґрунтів. Для ґрунтів текучьопластичної, а також м’ягкопластичної консис­тенції (по класифікації СНіП), які містять воду, вільну або слабо пов'язану з мінеральним скелетом ґрунту, гідравлічно безперервну і з малими структурними зв'язками (неущільнені суглинки, пісковини, дрібні піски, іли і слабі глини нижче рівня ґрунтових вод), буде застосовна класи­чна теорія фільтраційної консолідації, проте тільки для першого ступеня навантаження і при однократному навантаженні. Якщо ці види ґрунтів будуть заздалегідь ущільнені деяким навантаженням, то при наступних ступенях навантаження вони вже будуть мати виниклі при першому навантаженні структурні зв'язки (водно-колоїдні), і тоді у розрахунках осідань споруд необхідно враховувати структурність ґрунтів: непов­ну передачу тиску на порову воду у перший момент навантаження, структурну міцність і початковий градієнт тиску.

При першому ступені навантаження майже точно дотримується положення Терцагі - Герсеванова про пере­давання зовнішнього тиску на порову воду в перший момент навантаження; частка деформації повзучості складає незначну частину від осідання, обумовлену консолідацією. Проте ніж буде більш ущільнений глинястий ґрунт, тим більша частка всього осідання обумовлюється повзучістю скелета ґрунту, сягаючи десятків і двох-трьох сотень відсотків від осідання при консолідації.

Для глинястих ґрунтів тугопластичної, напівтвердої і твердої консистенції при описі їх процесу ущільнення буде вже недос­татньо теорії фільтраційної консолідації, оскільки на ці ґрунти з самого початку навантаження істотно впливає їх структура і деформація усіх компонентів, особливо повзучість скелета ґрунту. Істотне значення для застосовності тих або інших рішень теорії консолідації і повзучості ґрунтів для розрахунку осідань підґрунть споруд має ступінь водонасичення (по СНіП, ступінь вологості) глинястих ґрунтів, визначувана коефіцієнтом водонасиченості.

Залежно від ступеня водонасичення ґрунтів і завершен­ості процесу консолідації слід розглядати їх по-різному: 1 - як однокомпонентну (або квазіоднофазну) систему частинок; 2 - як двокомпонентну (ґрунтову масу) або нарешті, 3 - як трьохкомпонентну систему. Крім того, можуть мати місце і перехідні системи, наприклад коли трьохкомпонентна або двокомпонентна система з часом (наприклад, при висиханні) переходить в однокомпонентну або квазіоднофазну у процесі ущільнення і повзучості переходить в двофазну або много­фазну і т.п.

Рішення для основних систем отримані, а для перехідних потрібне додаткове дослідження визначення умов переходу однієї системи в іншу. Рішення, отримані для однокомпонентних систем можна застосовувати для піщаних і грубоскелетних сухих ґрунтів; ґрунтів неводонасичених, а також водонасичених майже повністю, але що містять у невеликій кількості гази за умови повного завершення процесу консолідації. Необхідними характеристиками деформації ґрунтів в цьому випадку будуть лише параметри повзучості.

Для двокомпонентних і квазідвофазних систем (наприклад, по «теорії ґрунтової маси», «теорії об'ємних сил»), буде справедливий для повністю водонасичених ґрунтів, але з урахуванням повзучості скелета і струк­турності ґрунтів (коефіцієнтів початкового порового тиску і початкового градієнта тиску).

Рішення задач трифазних водонасичених систем є най­більш загальними і їх слід застосовувати при водонасиченості глиняс­тих ґрунтів з урахуванням повзучості скелета ґрунту, стисливості порової води і природної структурності ґрунтів. Для перехідних систем повзучості - кон­солідація необхідне додатково встановлювати дослідженнями при я­кому водонасиченні і яких умовах йде ущільнення і час дії ущільнюючого навантаження, коли одна система переходитиме в іншу.

Одновимірна задача теорії пов­зучості однофазних, двох­фазних і багатофазних ґрунтів. Розглянемо одновимірну задачу, тобто задачу визначення осідань (вертикальних переміщень) шару ґрунту при суцільному навантаженні, якщо шар, що стискається, буде пред­ставляти собою різну з погляду розрахунку систему частинок.

1. Для однофаз­ної (а також однокомпонентної) системи визначення осідань окремого шару ґрунту розв'язується у припущенні, що осідання відбувається тільки за рахунок пов­зучості скелета ґрунту, що характеризується деяким ядром повзучо­сті по теорії успадкованої повзучості. Оскільки ядро повзучості є швидкістю повзучості ґрунту при постійній одиничній напрузі, то повзучість скажеться лише на протіканні осідань в часі

2. Для двофазної системи ґрунтів загальне рішення сумісної задачі теорії повзучості і консолідації отримано на основі узагальненої моделі об'ємних сил з урахуванням взаємодії фаз ґрунту, змін у часі загального напруженого стану в будь-якій точці ґрунту і додаткового тиску у поровій воді, а також неповної передачі зовнішнього тиску на порову воду, що стискається. Величина осідання в часі складається з двох складових: первинного осідання і вторинної повзучості.

3. Для трифазної системи отримано рішення лише для ґрунтів достатньо вологих, але не повністю водонасичених.

Інженерний метод прогнозу сумарних осідань ущільнення і пов­зучості підґрунть фундаментів споруд. При визначенні глибини активної зони стиснення враховуються не тільки розміри і площа підошви фундаментів, але і консистенція ґрунтів, їх структурна міцність рстр і значення початкового градієнта тиску. Таким чином, при дії місцевого навантаження на ґрунт (від фун­даментів споруди) осідання підґрунть фундаментів визначається з урахуванням консолідації фільтрації ґрунтів, стисливості порової води, структурності і ущільненості ґрунтів (структурна міцність рстр, коефіцієнта початкового порового тиску і значення початкового градієнта тиску), можна вважати справедливими вирази для сумарних осідань консолідації і повзучості скелета ґрунту але з урахуванням епюр розподілу ущільнюючого тиску по глибині, а саме:

1. Для випадку двобічної фільтрації (коли вода має дре­нований вихід вгору у підошви фундаментів і вниз на глибині, рівній або меншій глибини нижньої межі активної зони стиснення, тобто рівній або меншій висоті трикутної епюри ущільнюючого тиску) задача зводиться до основного випадку дії суцільного навантаження, але при трикутній епюрі ущільнюючого тиску, і для розрахунку осідань відповідних будь-якому часу від початку навантаження, буде справедливий наступний наближений вираз:

2. Для випадку однобічної фільтрації тільки вгору до підошви фундаменту (наприклад, у разі однорідного по глибині ґрунту і дренажного прошарку у підошви фундаменту) задача зводиться до розглянутому раніше випадку розподілу ущільнюючих навантажень лінійно убиваючих по трикутній епюрі, і висотою, рівній потужності активної зони стиснення.

Для ґрунтів сипких (піщаних, гравелистих, крупноуламкових і т. п.) повзучість позначається лише при значному тиску і для сухого стану викликається процесом текучості в точках контакту і розвитком мікротріщин частинок, де виникає значний місцевий тиск. Для ґрунтів глинястих і мулистих повзучість скелета позначається при будь-якому навантаженні, але при значному тиску, визначаючим є процес протікання деформацій у часі. Для тугопластичних напівтвердих і твердих глин повзучість скелета може обумовлювати велику частину їх деформацій, а іноді майже всю деформацію.

При вивченні напружено-деформованого стану ґрунтів урахування повзучості скелета приводить до результатів, значно ближче відповідаючих реальній дійсності, ніж це витікає з рішень заснованих тільки на теорії чисто фільтраційної консолідації.