9.2.3. Неравномерные осадки разуплотнения Sразупл

Осадки разуплотнения развиваются под действием на­грузки, которая не превышает веса грунта, вынутого при от­рывке котлована. Действительно, при его отрывке в основании уменьшаются напряжения и происходит разуплотнение грунтов. Кроме того, под действием давления грунта, располагающегося вокруг дна котлована, возникают упругие деформации иска­жения формы, при глубоких котлованах могут появляться и остаточные пластические деформации выпора в сторону котло­вана. Таким образом, происходит неравномерное поднятие дна котлована (рис. 9.4). В дальнейшем могут развиваться нерав­номерные осадки. Происходит это в результате:

198

большего разуплотнения грунтов под центральной частью котлована, чем по его краям и в углах, из-за большего уменьшений напряжений в глубине основания под центром котлована;

различной продолжительности разуплотнения грунтов осно- вания под разными фундаментами;

неодинакового поднятия дна. котлована вследствие неодноч родности основания и неравномерности изменения напряжен- ного состояния грунтов.

Для фундаментов зданий и промышленных сооружений чаще всего отрывают котлованы глубиной не более 5 м. Тогда осадки разуплотнения незначительны и развиваются преиму- щественно в процессе устройства фундаментов и обратной за­сыпки пазух. Влияние осадок разуплотнения ощутимо при глу-бине котлована более 5 м и устройстве фундаментов, нагрузка от которых вместе с обратной засыпкой существенно меньше веса вынутого из котлована грунта.

Осадка разуплотнения равна поднятию дна котлована в процессе разгрузки грунтов основания, определяемому мето­дами механики грунтов. С этой целью грунты испытывают не только на сжатие, но и на разуплотнение.

9.2.4. Неравномерные осадки выпирания Sвып

Осадки выпирания связаны с развитием пластических деформаций (местных сдвигов) грунта основания. По подошве жестких фундаментов реактивное давление распределяется не­равномерно. Даже при небольшой нагрузке под краями же­стких фундаментов возникает, давление, приводящее к разви­тию зон сдвигов. Вследствие перемещения границ зон сдвигов (см. рис. 8.1) происходит уплотнение грунтов по сторонам от этих зон. По мере загрузки фундамента указанные зоны уве­личиваются, грунт, окружающий их, уплотняется и оказывает все большее сопротивление, которое может достигать значения пассивного отпора. Осадки выпирания следовало бы опреде­лять на основе решения смешанной задачи теорий упругости и пластичности (например, методом конечных элементов). Вследствие отсутствия решений, доведенных до инженерных расчетов, давление по подошве обычно ограничивают величи­ной, при которой осадки выпирания незначительны.

Причины развития неравномерных осадок выпирания те же, что и осадок уплотнения (см. ранее). Дополнительно неравно­мерности осадок выпирания могут быть обусловлены неодина­ковым сопротивлением грунта сдвигу в зонах пластических деформаций.

199

9.2.5. Неравномерные осадки расструктуривания Sрасстр

При отрывке котлована грунты основания обнажаются и подвергаются воздействию различных факторов, в результате чего может произойти нарушение их приредной структуры — расструктуривание. В связи с этим изменяются их физико-механические свойства. Чаще всего происходит увеличение сжимаемости грунтов и уменьшение сопротивляемости их сдвигу.

Поскольку нарушение структуры под соседними фундамен­тами происходит в различной степени, осадки расструктурива­ния будут неравномерными. Величина их зависит от способов производства котлованных работ, водоотлива, продолжитель­ности периода с начала отрывки котлована до обратной за­сыпки пазух фундаментов.

Нарушение структуры грунтов основания возможно по сле­дующим четырем причинам: от метеорологических воздействий; от воздействий грунтовых вод и газа; от динамических воздей­ствий механизмов; в результате грубых ошибок строителей.

Метеорологические воздействия проявляются в расструкту-ривании грунтов в результате их промерзания и оттаивания (рис. 9.5, а), размягчения и набухания (рис. 9.5, б), высыха­ния и усадки (рис. 9.5, в).

При промерзании и оттаивании пылевато-глинистых и мел­копесчаных грунтов возможно существенное изменение их объ­ема. Сильно увлажненные такие грунты при промерзании испы­тывают пучение, увеличиваясь в объеме, а при оттаивании под нагрузкой — просадку. При пучении в грунтах могут разви­ваться напряжения, превышающие давление по подошве фунда­ментов. В связи с этим промерзание пучинистого грунта в ос­новании сооружения опасно не только при устройстве фунда­ментов, но и в период возведения надземных конструкций.

Примером может служить деформация двухэтажного кир­пичного здания (рис. 9.6). Его стены были возведены осенью, а-затем строительство приостановили. Зимой на стенах появи­лись трещины, ширина раскрытия которых к весне достигла 25 см. Под фундаментами со стороны подвалов грунт промерз на глубину до 80 см. Принятие мер по укреплению конструк­ций, а также по регулированию оттаивания грунтов основания позволило сохранить здание.

200

Рис. 9.6. Деформация кирпичной стены здания при оттаивании промерзшего грунта под фундаментами со стороны подвала

Если подошва фундамента расположена ниже глубины про­мерзания, возможно поднятие фундамента касательными си­лами пучения, развивающимися по его боковым поверхностям, а также смещение его с креном в сторону подвала в случае промерзания грунта в горизонтальном направлении со стороны неотапливаемого подвала через стенку фундамента. Вопросы воздействия сил пучения грунтов более подробно рассмотрены в п. 14.4.

Для исключения воздействия касательных сил пучения во время строительства рекомендуется покрывать боковые поверх­ности фундаментов слоем битума, растворенного в мазуте или соляровом масле. Боковое давление на фундаменты, которое может развиваться при пучении грунтов, промерзающих в горизонтальном направлении, исключается путем обратной

201

засыпки пазух непучинистым материалом (песком) или надеж­ным утеплением подвальных помещений.

При оттаивании грунтов возникают еще более опасные де­формации конструкций сооружений. Процесс просадки при от-таивании развивается очень неравномерно — грунт оттаивает быстрее с южной стороны здания, чем с северной, и быстрее, чем под внутренними стенами и колоннами. Кроме того, после оттаивания грунт приобретает повышенную сжимаемость, В связи с этим недопустимо промораживание грунтов ниже дна котлована, даже если эти грунты оттаивают перед заклад- кой фундаментов.

При увлажнении пылевато-глинистого грунта, залегающего ниже дна котлована, атмосферными осадками происходит его размягчение и набухание (см. рис. 9.5, б). Эти процессы бы­стро протекают в пылеватых суглинках, слоистых и трещино-ватых глинах. Чем больше глинистость грунта, особенно обу-словленная содержанием минерала монтмориллонита, а также чем глубже котлован, тем больше может быть набухание грун­тов, расположенных выше уровня подземных вод. Размягче-ние в наибольшей степени сказывается на пылевато-глинистых грунтах, поры которых заполнены воздухом, сообщающимся с атмосферой. Набухание и размягчение грунта приводит к из­менению его сжимаемости и, как следствие, к развитию нерав­номерных осадок. Для сохранения структуры грунтов поверх­ностные воды отводят от котлована, и, кроме того, нижний слой, подлежащий разработке, оставляют в качестве защит-ного, удаляя его непосредственно перед закладкой фунда­ментов.

В районах с жарким климатом может наблюдаться интен- сивное высыхание грунтов ниже дна котлована. Высыхание пы­левато-глинистых грунтов сопровождается их усадкой (см. рис. 9.5, в). В последующем при восстановлении влажности это может привести к поднятию фундаментов в результате набу­хания грунтов или вызвать неравномерное уменьшение сжи­маемости грунта.

Воздействие подземных вод и газа приводит к расструктури-ванию грунтов в результате влияния гидростатического давле­ния (рис. 9.7, а, б), гидродинамического давления (рис. 9.7, в), механической и химической суффозии (рис. 9.7, г), расширения и выделения растворенного газа.

Если гидростатическое давление в водопроницае­мом грунте, подстилающем сравнительно водонепроницаемый грунт (рис. 9.7, а), больше напряжения от веса оставшегося ниже дна котлована слоя водонепроницаемого грунта, то воз­можна деформация и даже разрушение этого слоя. Воздействие гидростатического давления особенно проявляется при слои­стой текстуре грунтов (ленточные глины и суглинки), когда

202

Рис. 9.7. Случаи расструктуривания грунтов под воздействием грунтовых вод

водопроницаемость вдоль слоистости в 50.. 100 раз больше, чем поперек (рис. 9.7, б). Для снятия гидростатического давления искусственно понижают уровень подземных вод в водоносном слое. При слоистой текстуре пылевато-глинистых грунтов ис­пользуют электроосмос или устраивают вертикальные дрены с выпуском воды в приямок котлована.

При поступлении воды в котлован через фильтрующий слой снизу вверх частицы грунта испытывают гидродинамиче­ское давление фильтрующегося потока воды (рис. 9.7, в), которое существенно уменьшает давление в скелете грунта, спо­собствуя его набуханию. Для устранения этого явления либо искусственно понижают уровень подземных вод (см. п. 13), либо забивают вокруг котлована шпунт с погружением его в подстилающий слой сравнительно водонепроницаемого грунта.

Если вода поступает в котлован по прослойкам, она может выносить из основания глинистые и пылеватые частицы грун­та. Это явление называется механической суффозией.

Так, во время разработки котлована глубиной 3,5 м в Ле­нинграде из основания в котлован выносились пылеватые ча­стицы грунта с образованием в нескольких местах его конусов выноса (рис. 9.7, г). Диаметр конусов достигал 20 м, высота составляла 0,7 м.

При растворении минералов скелета грунта основания про­исходит химическая суффозия, ухудшающая физико-ме­ханические свойства грунтов.

При уменьшении гидростатического давления, например вследствие водоотлива, наблюдается расширение замкнутых пузырьков газа в подземной воде, а также выделение из нее растворенного газа (воздуха). Выделение и расширение газа в слабо фильтрующих грунтах (илах, супесях, суглинках) со­провождается их расструктуриванием. Оно особенно ощутимо при уменьшении напряжений от собственного веса грунта. Для сохранения структуры газонасыщениых грунтов котлованы це­лесообразно разрабатывать, подводным способом (см. п. 13).

203

Динамические воздействия перемещающихся механизмов и удары по дну котлованов могут приводить к существенному расструктуриванию насыщенных водой пылевато-глинистых грунтов и пылеватых песков, залегающих ниже дна котлована. В целях сохранения естественной структуры указанных грун­тов их разрабатывают легкими механизмами, перемещающие мися вблизи бровки котлована. Кроме того, на дне котлована оставляют защитный слой грунта, который удаляют вручную или очень легкими землеройными машинами.

Грубые ошибки строителей иногда приводят к расструктури­ванию грунтов и большим неравномерностям осадок. К таким ошибкам наиболее часто относятся: перебор грунта и некаче­ственная его обратная укладка; отрывка глубоких котлованов около ранее возведенных фундаментов, имеющих существенно меньшую глубину заложения; заблаговременная отрывка кот­лованов; затопление котлована производственными водами.

Все нарушения естественной структуры грунтов основания приводят к развитию неравномерных осадок расструктурива-ния, величины которых заранее установить невозможно. Сле­довательно, во время производства строительных работ тре­буется сохранять структуру грунтов основания.