к проектированию объектов водохозяйственого комплекса на

УДК 624.131.4
К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ОБЪЕКТОВ ВОДОХОЗЯЙСТВЕНОГО КОМПЛЕКСА
НА ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТАХ – НАДЁЖНЫЕ НОРМЫ
Н.Н. Фролов, О.Н. Черных, А.М. Будикова
ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия
До сих пор отказы и аварии сооружений на просадочных грунтах при их увлажнении
наносят большой урон водохозяйственному комплексу России. Дальнейшее его развитие
на территориях, сложенных лессовыми просадочными грунтами (Северный Кавказ,
Прикавказье, Юг Черноземной области, Поволжье, Калмыкия, Запад Сибири и т.д.)0, для
выполнения требований рационального природопользования и экологической
безопасности природоохранной деятельности связано с обеспечением безопасной и
надежной работы строящихся и реконструируемых водохозяйственных сооружений и
комплексов.
Происходящие до сих пор аварийные просадочные явления при случайном или
технологическом замачивании оснований сооружений объясняются как большой трудно
учитываемой пестротой залегания и природной неоднородностью покровных лессовых
пород, так и недостаточной изученностью процессов взаимодействия сооружений и их
оснований в процессе просадки.
К сожалению, практика проектирования и строительства водохозяйственных
объектов на просадочных грунтах не обеспечена надежной нормативной документацией.
Действующие ВСН 33.2.2.06-85 («Оросительные системы на просадочных грунтах»)
бывшего Минмелиоводхоза имеют настолько серьезные недостатки, что нуждаются в
пересмотре основных расчетных положений в соответствии с уровнем научнотехнического прогресса и накопленного с момента их издания (1984-1985 гг.) нового
прогрессивного материала. Кстати, в связи со сказанным, по принятым положениям
«Технические нормы «обновляются каждое десятилетие, так что и с этой точки зрения
ВСН 33.2.2.06-85 необходим пересмотр.
Рассмотрим недостатки ВСН и те новые конкретные предложения, которые могут
послужить в качестве материала для их новой редакции.
Прежде всего, необходимо в ВСН привести трактовку расчетных предельных
состояний в соответствии с современными требованиями. В ВСН классификация
предельных состояний дается по старым, еще пятидесятых годов, нормам – по виду
явлений: первая группа – потеря несущей способности основания; вторая группа –
предельные деформации. По современной же классификации предельные состояния
разделяются на группы по степени их ответственности для возможности дальнейшей
эксплуатации сооружений: первая группа – предельные состояния, исключающие
возможность дальнейшей эксплуатации сооружения; вторая группа – лишь затрудняющие
нормальную эксплуатацию.
В соответствии с ВСН просадка Ssl как явление, относится к деформациям, то есть
ко второй группе предельных деформаций, так же как и другие малоопасные деформации
лессовых грунтов (осадка Sp грунта исходного состояния под нагрузкой от возводимого
сооружения, Swt – послепросадочное уплотнение при длительной фильтрации через
основание; Ssf – суффозионная осадка, если лессовый грунт одновременно является
засоленным), затрудняющим нормальную эксплуатацию сооружения. Вместе с тем, по
современным взглядам на просадку, она происходит из-за потери просадочным грунтом
прочности при увлажнении, разрушения его структуры (явление первой группы) и
выражается в появлении чрезвычайной резких и неравномерных локальных деформаций с
возникновением разрушительных трещин, приводящих сооружение к полной
непригодности к эксплуатации, к авариям и разрушению.
Таким образом, просадка и по виду явления (потеря прочности грунтом основания
при замачивании), и по результатам – приведению в непригодность к эксплуатации
сооружения, – безусловно, относится к первой группе предельных состояний, как это и
классифицируется в «Основных положениях» СНиП 2.06.01-82 «Гидротехнические
сооружения». Поэтому просадка, во-первых, должна обязательно выделяться при расчете
из других видов деформаций лессовых оснований (относимых ко второй группе
предельных состояний), а, во-вторых, подсчитываться с использованием расчетных
деформационных характеристик просадочности εsl, учитывающих их вероятностную
изменчивость по строительной площадке с помощью коэффициента надежности по грунту
γg, как это делается по «Нормам» при расчете по первой группе предельных состояний для
прочностных характеристик грунта (удельного сцепления С и угла внутреннего трения φ),
тем более, что степень просадочности
εsl отличается существенно большей
изменчивостью по сравнению с упомянутыми прочностными характеристиками.
Учитывая вышесказанное, следует признать формулу (7) ВСН, приведенную ниже
(1), как не отвечающую современным положениям расчета по предельным состояниям и
не соответствующую общепринятым взглядам на процессы просадочности лессовых
оснований сооружений
H se
S w  m p  mwt    sl. p  hi  mб ,
(1)
0
где
Sw – деформация при увлажнении грунта основания (просадка Ssl в сумме с
послепросадочной деформацией Swt); εsl.p – относительная просадочность грунта i-го
расчетного слоя толщиною hi при расчетном давлении р, устанавливаемая по формуле по
результатам компрессионных испытаний
 sl. p 
 sl  (1  mг )  pб
hн
,
(2)
где ∆рб – деформация образца при обжатии его природным давлением; ∆sl - деформация
образца после замачивания его при расчетном давлении; hн – начальная высота образца,
равная высоте кольца компрессионного прибора; mг – коэффициент, учитывающий
гистерезис деформации грунта, определяемый по приложению 3 ВСН; mр – коэффициент,
учитывающий влияние размеров и формы площади замачивания, определяемый по
приложению 3 ВСН; mб – коэффициент, учитывающий формоизменение (боковые
деформации) грунта в пределах сжимаемой зоны основания, определяемой по
приложению 3 ВСН;
mwt – коэффициент, учитывающий длительность увлажнения
грунта

mwt  1  wt .
(3)
 sl
При отсутствии опытных данных его значение определяют по вышеназванному
приложению ВСН; εwt – относительная деформация послепросадочной осадки Swt,
определяемая длительными компрессионно-фильтрационными испытаниями.
Рассмотрим теперь критически положения этой формулы (1).
1. Как сказано выше, неправомочно объединение в одну деформацию Sw двух
совершенно различных деформаций: просадки Ssl и послепросадочной осадки Swt. Хотя
обе они и вызываются одним явлением – замачиванием, но резко отличаются друг от
друга как по природе происходящих процессов, сроками, величинами, скоростью,
длительностью и неравномерностью проявления, так и по воздействию на
эксплуатационную пригодность сооружения, и относятся к факторам разных групп
предельных состояний, почему и требуют обязательно раздельного расчета.
2. Ошибочен сам прием определения величины Sw при замачивании через
коэффициент mwt. По такой интерпретации (с помощью формулы (3)) просадка лессового
массива, сложенного слабо или вообще непросадочным, но сильно засоленным грунтом,
при коэффициенте mw t>2…3 (когда εwt намного превосходит εsl), будет отнесена к
сильнопросадочной категории со всеми вытекающими при проектировании
последствиями.
3. Принятие в расчетах просадки компрессионной модели сжатия (одноосная
задача) и компрессионных характеристик просадочности (сжатие без возможности
бокового расширения) требует корректировки для других возможных моделей и случаев
напряженного состояния грунтов основания реальных сооружений.
4. Определять εsl.p по формуле (2) не следует. Учет в ней гистерезиса образца грунта
mг совершенно неправомерен, ибо он не имеет никакого отношения к просадке, так как
реализуется на начальном этапе лабораторного опыта, еще до доведения образца до
расчетной нагрузки. Кроме того, нарушается основное правило моделирования
деформаций, какими и являются компрессионные испытания, по которому для
определения относительных деформаций реального основания все величины деформаций
образцов грунта должны относиться к исходной высоте образца природных влажности и
давления hпg, а не к высоте кольца hк, как в знаменателе формулы (2).
5. Применение коэффициента mp следует признать нецелесообразным, ибо заранее
спрогнозировать форму и размеры источника замачивания на оросительной системе (для
учета возможного неполного промачивания массива, снижающего величину просадки) не
представляется возможным. Поэтому в целях большей надежности расчета ожидаемой
просадки лучше ориентироваться на полное промачивание просадочной толщи и
проявление полной величины просадки как на наиболее наихудшие сочетания явлений.
С учетом последних представлений о процессах взаимодействия сооружения и
лессового основания в стадии просадки для определения размера просадочной
деформации Ssl при расчете по первой группе предельных состояний рекомендуется
полученная нами (1) решением по смешанной модели предельного равновесия грунта и
линейно деформируемой среды формула
H
S sl   n    sl.i  hi  kб ,
(4)
i 1
где γn – коэффициент по ответственности гидросооружения, γn = 1,15; εsl.i – расчетное
значение относительной просадки i-го слоя грунта при расчетном (суммарном в зоне
напряжений от сооружения) давлении в середине слоя, принимаемое по величине
нормативного (среднего) значения  sl.i по выражению
 sl.i   g   sl.i
,
(5)
где
γg - коэффициент надежности по грунту, устанавливаемый статистической
обработкой экспериментальных данных выборки εsl по строительной площадке и
подсчитываемый по формуле
1
g 
,
(6)
1 x
где x – показатель точности оценки среднего значения из n–го количества частных
определений εsl, принимаемый в зависимости от заданной доверительной вероятности α (α
= 0,95, как при расчетах оснований гидросооружений), степени свободы (n – 1) и
коэффициенте вариации V    sl. , где σ – среднее квадратическое отклонение величины
εsl от нормативного (среднеарифметического) значения  sl ; кб – коэффициент условий
работы для напряженной зоны от нагрузки сооружения, учитывающий боковое
расширение грунта; для ширины подошвы b ≤ 3 м кб = 1,60, а для b = 12 м кб = 1; для
промежуточных величин b устанавливается интерполяцией.
Расчетное напряжение в «несущем столбе» основания, образующего зону
предельного напряженного состояния (предельного равновесия) под подошвой
сооружения на глубину Zпр.п, подсчитываемую по формуле
b( p  d )

( сtg    )  d ,
  d  а
2
где b и d – соответственно, ширина и глубина заложения фундамента;
Z пр. р
(7)

а  tg 2 (45o  ) - коэффициент активного бокового давления; φ – угол внутреннего
2
трения грунта в водонасыщенном состоянии; принимается суммарным и равным рсум=
р+рgz, где р – среднее давление от сооружения, постоянное по всей глубине Zпр.п; рgz –
природное давление от собственного веса замоченного грунта на глубине d+Z.
Размеры других упомянутых выше видов деформаций просадочного грунта для
раздельных расчетов по второй группе предельных состояний подсчитываются по
общепринятым в механике грунтов формулам с использованием компрессионных
характеристик относительных деформаций по общей формуле
n
Su    u.i  hi ,
(8)
1
где u – индекс вида деформации (Sр, Swt, Ssf ); εu.i – относительная деформация данного
вида, полученная по соответствующим общепринятым методикам.
Основной расчетной формулой является условие расчета по предельным
деформациям
Sn≤Sпред.u ,
(9)
где Sпред.u – предельная деформация данного вида для проектируемого сооружения,
устанавливаемая Нормами или назначаемая проектом по технологическим условиям.
Библиографический список
1. Фролов Н.Н., Жакапбаева Г.А., Аль Шалаби Басам. Прогноз совместной просадки
гидросооружений и лессовых оснований с учетом положений модели теории
предельного равновесия. // Природообустройство и экологические проблемы водного
хозяйства и мелиорации. Тез. докл. М.: МГУП, 1999.