По данным почвенно-географической базы данных России, глинистые грунты встречаются почти по всей территории страны и особенно распространены на севере в условиях холодного климата. Они служат основанием для строительства зданий и других сооружений. Фундаменты построек подвергаются различным воздействиям, например, для туннелей и мостов характерны циклические или, по-другому, повторяющиеся нагрузки. К ним можно отнести проезды автомобилей. Изучение деформации глинистых грунтов позволяет более точно определить их реальные свойства и спрогнозировать последующее состояние строительного объекта, сделать его прочным и безопасным. Однако сейчас большинство методов прогноза в строительстве ориентировано на случай однократной нагрузки, из-за этого они не полностью учитывают поведение грунтов в реальных условиях, когда воздействие происходит из раза в раз. Ученые ПНИПУ провели исследование и определили деформации глинистого грунта при длительных повторяющихся нагрузках. Это позволит сформировать рекомендации по прогнозу грунтовой осадки, чтобы на глине можно было возводить надежные сооружения.
Исследование опубликовано в журнале «Master's Journal» №1 за 2024 год. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
При проектировании зданий, мостов и туннелей просчитывают срок эксплуатации объектов и объем нагрузок, которые они должны выдерживать. Для этого, в том числе, определяют тип грунта и его осадку во времени. Применяемые сейчас модели расчетов учитывают только однократные статические нагрузки, например, вес самого сооружения, в то время как на поведение грунта в дальнейшем гораздо больше влияют циклические (периодические) нагрузки, например, от постоянно проезжающих по мосту автомобилей. Из-за этого предсказать поведение грунта в перспективе сложно, а значит нельзя достаточно точно спрогнозировать, сколько прослужат фундаменты построек.
Деформации грунта под воздействием нагрузок бывают двух видов — упругие, когда он восстанавливает прежнюю форму после прекращения действия силы (так деформируются при небольших нагрузках скальные грунты — гранит, мрамор, известняк), и пластические, когда следы от нагрузок полностью или частично остаются (например, дорожная колея, сползание склона, осадка здания после окончания строительства). Образование того или иного вида деформации зависит от приложенных напряжений, пористости, размера частиц и других свойств грунта. Если он способен восстанавливаться, то лучше сохраняет форму и становится более подходящим для долгосрочных построек.
Ученые Пермского Политеха провели исследование, чтобы выяснить, как циклические нагружения влияют на глинистые грунты. Для этого они выполнили эксперименты с мягкопластичной глиной, сжимая ее в специальном компрессионном приборе. После анализа данных политехники построили графики изменения деформации грунта и проследили зависимость между нагрузкой и его деформацией.
— Исследование проводилось в три этапа и оказалось, что пластические деформации грунта максимальны при первом нагружении, а после разгрузки и повторения этого процесса они уменьшаются. С каждым последующим нагружением деформации снижаются на 61,5% и 13,3% и упругие преобладают все больше. Это значит, что грунт способен со временем уплотняться и становиться более устойчивым, — объясняет доцент кафедры строительного производства и геотехники ПНИПУ Евгения Акбулякова.
Ученые ПНИПУ выяснили, что при первом нагружении грунта формируется остаточная пластическая деформация, которая при последующих циклах уменьшается в 3-6 раз. Таким образом, с увеличением количества циклов «нагрузка-разгрузка» глинистый грунт становится более плотным и деформируется упруго. Использование полученных данных поможет правильно проектировать строительство здания на глинах с применением моделирования. Постройки на таких уплотненных глинах будут испытывать меньшие деформации.
На основе полученных данных ученые Пермского Политеха планируют разработать рекомендации для проектирования фундаментов зданий и других сооружений на глинах. Это позволит возводить надежные сооружения, своевременно их обслуживать и более точно прогнозировать срок службы.
