Деформации сооружений в результате усадки грунта основания

Деформации сооружений в результате усадки грунта основания

Возведенные на глинистых грунтах сооружения, при работе которых наблюдается большое выделение теплоты в грунт (печи, газоходы, дымовые трубы и т. п.) испытывают многочисленные деформации. Эти деформации проявляются в виде осадки, перекоса или крена несущих конструкций и вызваны неравномерной усадкой грунтов основания.

Например, обследование, проведенное на одном из заводов Волгограда, зафиксировало отклонения стволов 24 дымовых труб и более 10 промышленных печей. Смещение осей дымовых труб высотой 40 м от вертикали достигало 1200 мм при крене до 0,03, что значительно превышало допустимое. В растянутой зоне железобетонных стволов возникли значительные трещины. В результате одни трубы были демонтированы, а другие потребовали значительной работы по усилению.

В связи с этим было проведено исследование динамики развития крена дымовых труб, изучен режим влажности глинистых грунтов основания и его изменение при многолетнем нагревании от подземных частей сооружений и на их основе предложен и экспериментально проверен новый способ выправления крена.
Основанием фундаментов дымовых труб на площадке, где проводились исследования, служат хвалынские глины толщиной 3-5 м, прикрытые сверху чехлом делювиальных суглинков; глины подстилаются ательскими суглинками или супесями. Подземные воды встречены на глубине 18 м в хазарских песках.

В природном состоянии хвалынские глины имеют следующие характеристики: число частиц размером менее 0,005 мм составляет 50 — 70 %; плотность грунта — 1,92 г/см3; влажность: начальная — 0,24 — 0,32, на границе раскатывания — 0,28, на границе текучести — 0,56; угол внутреннего трения — 7-12°; удельное сцепление — 0,03 — 0,08 МПа; свободное набухание — 0,16 — 0,24; давление набухания — 0,39 — 0,80 МПа; относительная линейная усадка — 0,09 — 0,14.

Фундаменты дымовых труб выполнены в виде монолитной железобетонной плиты диаметром 6,4 — 6 м и толщиной 0,5 м, заложенной на глубину 3 м. Давление под подошвой плиты соответствует 0,18 — 0,20 МПа. Фундаментная плита жестко соединена с монолитным железобетонным стволом трубы.

Источниками нагревания являлись подземные части нагревательной печи с температурой сгорания газов 650 — 800°С и два подземных газохода, соединяющих печь с трубой, по которым проходили газы с температурой 160-360°С. В связи с односторонним примыканием газоходов к трубе грунты основания нагревались неравномерно. Наиболее интенсивно (до 50 — 130°С) нагревались грунты в зоне между дымовой трубой и технологической печью, названной зоной максимального нагрева. Со стороны, противоположной печи, грунты нагревались меньше — до 30 — 50°С, их отнесли к зоне частичного нагрева. Грунты за пределами радиуса теплового влияния можно считать зоной, где искусственное нагревание отсутствует.

Интенсивный многолетний подогрев хвалынской глины привел к уменьшению влажности в верхней части слоя, что вызвало неравномерную усадку грунта основания в зонах № 1 и 2, и, следовательно, различную осадку диаметрально противоположных точек фундаментной плиты дымовой трубы. Крен труб развивался в сторону печей, являющихся наиболее мощными источниками нагревания грунтов основания. Скорость нарастания крена труб была максимальной в первые два года наблюдений и постепенно снизилась до нуля через шесть-семь лет после начала эксплуатации. При крене 0,017 в нижней части железобетонного ствола появились трещины и возникла необходимость капитального ремонта дымовой трубы.

Для изучения температурного и влажностного полей вокруг дымовых труб было пробурено по 14 скважин глубиной 7 м, которые оборудовались датчиками. Скважины располагали попарно на расстоянии 400 мм одна от другой. В одну скважину помещали датчики температуры на базе термо резистора ММТ-1 и ММТ-4, в другую — обсадные дюралевые трубы для измерения влажности нейтронным влагомером НИВ-1.

В каждой из трех зон нагревания грунта размещали по три пары наблюдательных скважин. В зоне N° 1 грунты с поверхности до глубины 4,5 — 5 м имеют влажность в пределах 0 — 0,01, что меньше гигроскопической влажности хвалынской глины. На глубине 6,5 м влажность грунта в зоне № 1 не отличается от ее значений на той глубине в зоне № 3, поэтому распределение влажности в грунтах ниже отметки -6,5 м здесь и далее не рассматривается. В промежуточной зоне № 2 влажность грунта снизилась незначительно — на 0,01 — 0,05 по сравнению с исходным природным профилем влажности.

По данным геодезических измерений перемещений глубинных марок, установленных в трех зонах нагревания, максимальные вертикальные деформации усадки, равные 5—12 см, за-фиксированы в зоне № 1, в зонах № 2 и 3 усадочных деформаций практически не наблюдалось. Уменьшение влажности хвалынской глины в зоне № 1 произошло только в части слоя толщиной 1,5-2 м ниже подошвы фундамента трубы на глубине 3 — 5 м. Усадка покровного суглинка, расположенного выше подошвы фундамента трубы, привела к осадке поверхности грунта и образованию воздушного пространства высотой 15 — 20 см между низом бетонного покрытия территории и поверхностью осевшего грунта.

Воздушная подушка препятствовала тепловыделению из грунта в атмосферу, способствуя таким образом его интенсивному нагреванию и усадке. Выправление крена дымовых труб известным способом выемки грунта из-под фундамента в данном случае оказалось неприемлемым из-за невозможности прекращения работы установок на длительный срок. Поэтому для выправления крена труб был применен способ направленного изменения влажности грунтов основания путем создания условий для равномерного их нагревания под всей подошвой фундамента дымовой трубы.

Для этого был запроектирован и построен дополнительный полукольцевой газоход — железобетонный канал вдоль периметра круглой фундаментной плиты. При этом отметка его низа совпадала с подошвой фундамента трубы. В плане дополнительный газоход располагается со стороны, противоположной примыка-нию к трубе соответствующих каналов. Сечение дополнительного газохода подобрано с расчетом обеспечения тяги и создания равномерного температурного поля в грунте основания трубы.

Основной поток дымовых газов из печей отводился через новый полукольцевой канал, для чего сечение ранее построенных газоходов было уменьшено в 3 — 5 раз диафрагмами-перегородками из огнеупорного кирпича. Дополнительный канал выполнен из монолитного железобетона сечением 180×200 см2 с толщиной стенок 150 мм. Применен жаростойкий бетон марки М200 на местном керамзите, расход которого составил 9 м. Работы вы-полнены за две недели бригадой из пяти человек.

Для увеличения теплопередачи в грунт дно и стенки дополнительного канала были построены без футеровки, а верхний свод футерован красным глиняным кирпичом. Равномерность нагревания и сушки грунтов основания дымовой трубы контролировалась измерениями температуры грунтов датчиками, усадка грунтов измерялась нивелированием послойно установленных глубинных марок.

Расчетами и полевыми измерениями установлено, что при эксплуатации дополнительного полукольцевого газохода в основании дымовой трубы создано однородное в плане температурное поле. Например, по датчикам одной из скважин (зона № 1) на глубинах 0,1; 0,5; 1,5; 2,5; 3,5 и 4,5 м температура грунта в одном из циклов измерений составила соответственно 29; 59; 80; 75; 63 и 54°С. С противоположной стороны дымовой трубы в одной из скважин (зона № 2) в данном цикле измерений температура грунта на тех же глубинах составляла 23; 51; 86; 79; 68 и 51°С. Различие температуры грунта, измеренной в семи скважинах вокруг фундамента.

Усадка грунтов в зоне № 1 проявилась полностью, что и явилось причиной крена трубы. Для выправления крена трубы следовало добиться полного проявления усадки в зоне № 2 путем сушки грунтов с помощью дополнительного газохода. При расчете усадки грунта основания дымовой трубы в зоне № 2 в месте примыкания к фундаменту дополнительного газохода за конечное распределение влажности принято ее изменение по глубине в зоне № 1. Такая предпосылка расчета усадки в зоне № 2 основана на том, что после пуска в эксплуатацию дополнительного газохода в зоне № 2 создалось такое же температурное поле, как и в зоне № 1.

Расстояние от подошвы фундамента до точки пересечения кривых I и II представляет собой активную зону усадки набухающего грунта. Расчетная усадка, определенная по СНиПу, хорошо согласуется с экспериментально измеренными усадками, если в основу расчета положить зависимость относительной линейной усадки от влажности es h = f (w). Для хвалынских набухающих глин такая зависимость получена на монолитах грунта, отобранных в зоне № 2 около дымовой трубы.

Усадку определяли в компрессионных приборах Гидропроекта при нагрузке 0,2 МПа на образцах природной структуры и влажности. Образцы грунта с начальной влажностью 0,34 — 0,35 подсушивали в приборах рефлекторами до тех пор, пока показания индикаторов перестали изменяться. Затем образцы извлекали, влажность определяли взвешиванием, линейную и объемную деформации усадки — путем измерения образца микрометром. В дальнейшем образцы глины высушивались в шкафу при температуре 105°С. При этом влажность и усадка определялись аналогично.

Усадка глины продолжается во всем диапазоне изменения влажности. Интенсивность усадки глин при влажности ниже 0,10 — 0,21 резко снижается, что характеризуется переломом кривой esh = f (w).
Основная доля усадки (75 — 85 %) хвалынских глин проявляется до точки перелома на этом графике, которая может быть одним из значений влажности в интервале 0,10 — 0,21. Поскольку усадочные деформации продолжаются при высушивании глин до сколь угодно малых значений влажности, необходимо признать условность понятия предела усадки как влажности, ниже которой не происходит объемных деформаций.

При определении общей усадки активную ее зону разбили на элементарные слои толщиной 50 см. По профилю конечного прогнозируемого распределения влажности рассчитывали среднюю влажность каждого элементарного слоя после подсушки и усадки. В зависимости от средней влажности определяли относительную линейную усадку последовательно для всех элементарных слоев активной зоны. Общую усадку пласта хвалынских глин под краем фундамента дымовой трубы в зоне № 2 рассчитывали как сумму усадочных деформаций всех элементарных слоев.

После включения в работу дополнительного полукольцевого газохода крен дымовой трубы стал заметно снижаться. Для контроля фактической усадки в каждый слой грунта устанавливали глубинные марки, а в цоколе трубы располагали стеновые марки. Крен измеряли теодолитом, вертикальные перемещения фундамента трубы определяли нивелированием.

Через три года после начала подсушки крен дымовой трубы снизился до 0,015. Вертикальное смещение марки № 4, установленной в цоколе дымовой трубы со стороны, противоположной крену, составило 85 мм, что практически совпадает с расчетным значением усадки.