2. Проектирование оснований и фундаментов на набухающих грунтах

2.1. Общие положения

К набухающим относятся глинистые грунты, которые, находясь в напряженном состоянии от действия нагрузки или от собственного веса, способны при замачивании водой или растворами увеличиваться в объеме, при этом величина относительно набухания в случае свободного набухания образца без приложения внешней нагрузки ε⁰_sω ≥ 0,04.

Набухающие грунты характеризуются большим содержанием глинистых частиц и высокими значениями влажности на границе текучести и числа пластичности; при этом природная влажность их менее влажности на границе раскатывания. Для предварительной оценки набухающих грунтов используется показатель П = (е_L - е)/(1 + е), который для этих грунтов составляет более 0,3.

Набухающие грунты классифицируются следующим образом: слабонабухающие 0,04≤ε⁰_sω ≤0,08; средненабухающие 0,08< ε⁰_sω ≤0,12; сильнонабухающие ε⁰_sω >0,12.

При уменьшении влажности набухающих грунтов возникают деформации усадки, имеющие объемный характер. Увеличение влажности набухающих грунтов в основании фундаментов приводит к подъему последних, а уменьшение – к их осадке, что должно учитываться при проектировании сооружений. Кроме того, возможны горизонтальные деформации грунта, вызывающие возникновение горизонтального давления набухания, которое следует учитывать при проектировании заглубленных частей или всего сооружения.

Причинами набухания грунта в основании являются: увлажнение грунта подземными и производственными водами; повышение влажности за счет подъема уровня грунтовых вод; накопление влаги под сооружениями в ограниченной по глубине зоне вследствие нарушений природных условий испарения при застройке (экранирование массива грунта сооружениями); изменение водно-теплового режима под действием сезонных климатических факторов.

Усадка грунта вызывается в основном уменьшением влажности под действием температуры от технологических установок или климатических факторов.

2.2. Исходные данные для проектирования

Проектирование оснований на набухающих грунтах производится на основе инженерно-геологических изысканий, которые должны отражать:

характер напластования и толщину слоя набухающих грунтов;

расчетные характеристики набухания и усадки, полученные по данным лабораторных испытаний и полевых работ на площадке, включая данные испытания свай;

гидрогеологические условия площадки с учетом возможных изменений в процессе эксплуатации сооружения.

Расчетными характеристиками набухания и усадки грунта являются следующие.

1. относительное набухание, определяемое по формуле

ε_sω = (h_sat – h_n)/h_n, (1.57)

где h_sat - высота образца после его набухания (в случаях невозможности бокового расширения) за счет замачивания грунта до полного водонасыщения; h_n - исходная высота образца до его замачивания.

Набухание может быть свободным, когда замачивание грунта производится без приложения внешней нагрузки, ε⁰_sω и под нагрузкой ε_sω. Относительное набухание грунта под нагрузкой определяется на образцах, вырезаемых из одного монолита, при ступенях нагрузки 0,025; 0,05; 0,1 МПа и далее с интервалом в 0,1-0,2 МПа до необходимых пределов. Кроме того, испытывается образец по давлением, вызванным весом штампа и измерительного оборудования. На каждой ступени нагрузки испытывается не менее четырех образцов. Результаты испытаний обрабатывают методом наименьших квадратов и строят осредненную зависимость ε_sω = f(р) (рис.1.7,а) . При определении этой зависимости по данным испытаний штампами в полевых условиях допускается использование единичных значений относительного набухания, полученных при различных давлениях.

Рис.1.7. Зависимости относительного набухания

от давления (а), изменения объема от влажности (б), горизонтального давления набухания во времени (в)

2. Давление набухания р_sω, возникающее при замачивании грунта и характеризуемое давлением, передаваемым на образец в условиях, исключающих возможность бокового расширения, когда деформации набухания равны нулю. Давление набухания принимается на основе кривой ε_sω = f(р) и соответствует точке пересечения этой кривой с осью давления (см.рис.1.7,а).

3. Влажность набухания, за которую принимается влажность грунта после завершения его набухания в условиях, исключающих возможность бокового расширения, при отсутствии нагрузки ω⁰_sω или при обжатии заданным давлением ω_sω.

4. Усадка грунта, определяемая по высоте, диаметру и объему по формулам:

ε_sh = (h_h – h_d)/h_h; (1.58)

ε_d = (d_n – d_d)/d_n; (1.59)

ε_v = (V_n – V_d)/V_n, (1.60)

где h_h, d_n, V_n, и , h_d, d_d, V_d - начальные и конечные значения высоты, диаметра и объема образца грунта.

Влажность на пределе усадки грунта соответствует влажности грунта в точке перегиба кривой графика зависимости изменения объема образца грунта от влажности при высыхании грунта (рис.1.7,б).

5. Горизонтальное давление набухания характеризуется максимальным р^g_sω.max и установившимся p^g_sω значением (рис.1.7,в). Расчетное значение p^g_sω.r определяется по формуле

p^g_sω.r = γ`_ck_h р^g_sω.max; (1.61)

где γ`_c - коэффициент условий работы, равный 0,85; k_h - коэффициент, зависящий от интенсивности набухания:

Интенсивность

набухания, %сут. 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6≥ 0,7

k_h 1,4 0,25 1,12 1,05 1,02 1,01 1

Интенсивность набухания

i = ε_sω.max / t, (1.62)

где ε_sω.max - относительное набухание грунта, соответствующее максимальному значению горизонтального давления, %; t - период достижения максимального значения горизонтального давления, сут.

Расчетной характеристикой основания является зона набухания глубиной Н_sω, нижняя граница которой принимается:

а) при инфильтрации атмосферных и производственных вод – на глубине, где суммарное давление на слой грунта σ_z.tot равно давлению набухания грунта р_sω;

б) при наличии подземных вод – на 3 м выше установившегося уровня подземных вод, но не ниже установленного по п. «а»;

в) при экранировании поверхности и изменении водно-теплового режима – на глубине, установленной по экспериментальным данным для данного климатического района; при отсутствии таких данных – на глубине 5 м от уровня планировки.