2.3. Проектирование оснований и фундаментов

Расчет оснований сооружений на набухающих грунтах производится по деформациям, как на обычных грунтах, а при необходимости – и по несущей способности. По характеристикам грунта в природном состоянии определяется расчетное сопротивление основания R, по которому назначаются размеры фундаментов. При этом рекомендуется в расчете принимать повышение значения R в 1,2 раза, если осадка фундамента не будет превышать 0,4 допустимой для данного здания и сооружения. Кроме того, следует определять дополнительные деформации (подъемы или осадки фундаментов), возникающие в результате набухания или усадки грунта в основании сооружений.

Подъем фундаментов при набухании грунта в случае его замачивания определяется по формуле

h_sω = , (1.63)

где ε_sωi - относительное набухание i-го слоя, определяемое в зависимости от причин набухания; h_i - толщина рассматриваемого слоя грунта; k_sωi – коэффициент, принимаемый k_sω=0,8 при суммарном давлении σ_z.tot=0,05 МПа; k_sω=0,6 при σ_z.tot=0,3 МПа; k_sω=0,84-0,08σ_z.tot/σ_o (где σ_o=0,1 МПа) при промежуточных значениях σ_z.tot.

Относительное набухание грунта ε_sω определяется по следующим формулам:

при инфильтрации и подъеме уровня подземных вод

ε_sω = (h_sat – h_n)/h_n; (1.64)

где h_n - высота образца заданной влажности и плотности, обжатого без возможности бокового расширения суммарным давлением; h_sat - высота того же образца после замачивания, обжатого в тех же условиях;

при экранировании поверхности и изменении водно-теплового режима

ε_sω = k(ω_eq – ω₀)/(1 + e₀), (1.65)

где k - коэффициент, определяемый опытным путем, а при отсутствии экспериментальных данных принимается равным 2; ω_eq - конечная влажность грунта; ω₀ - начальная влажность грунта; e₀ - начальное значение коэффициента пористости грунта.

Значение ω_eq слоя i при экранировании определяется по результатам экспериментальных исследований зависимости влажности набухания ω_sω от давления, вычисляемого по выражению

р_i = γ_ω(z – z_i + 2 σ_z.tot)/ γ_s, (1.66)

где γ_ω - удельный вес воды, кН/м³; z - расстояние от поверхности планировки до уровня подземных вод, см; z_i - глубина расположения середины рассматриваемого i-го слоя, м; σ_z.tot - суммарное давление в середине рассматриваемого слоя, МПа; γ_s - удельный вес минеральных частиц грунта, кН/м³.

При изменении водно-теплового режима влажность ω_eq принимается в период максимального увлажнения грунта основания, а влажность ω₀ - в период наибольшего высыхания грунта; коэффициент пористости е₀ принимается для влажности грунта в период наибольшего его высыхания. Профиль влажности грунта при максимальном увлажнении и высыхании устанавливается опытным путем.

Рис.1.8. К расчету подъема

фундамента при набухании грунта

Суммарные давления σ_z.tot в середине i-го рассматриваемого слоя (рис.1.8) грунта в основании сооружения определяются по формуле

σ_z.tot = σ_z.р + σ_z.g + σ_z.ad, (1.67)

где σ_z.р - давление от нагрузки фундамента в середине рассматриваемого слоя, МПа; σ_z.g - давление от собственного веса толщи грунта от подошвы фундамента до середины рассматриваемого слоя, МПа; σ_z.ad - дополнительное давление, МПа, действующее вследствие влияния веса неувлажненной части массива, расположенной вне пределов площади замачивания:

σ_z.ad = k_g γ(d + z), (1.68)

где k_g - коэффициент, принимаемый по табл.1.9 в зависимости от отношения длины L_ω замачиваемой площади к ее ширине В_ω и относительной глубины расположения середины рассматриваемого слоя; γ - удельный вес набухающего грунта, кН/м³; z - расстояние от подошвы фундамента до середины рассматриваемого слоя, см; d - глубина заложения подошвы фундамента от отметки планировки, см.

ТАБЛИЦА 1.9. ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА k_g

	kg при отношении Lω / Вω
	1	2	3	4	5
0,5 1 2 3 4 5	0 0,58 0,81 0,94 1,02 1,07	0 0,5 0,7 0,82 0,89 0,94	0 0,43 0,61 0,71 0,77 0,82	0 0,36 0,5 0,59 0,64 0,69	0 0,29 0,4 0,47 0,53 0,57

Пример 1.4. Рассчитать подъем фундамента размером 1 Х 1 м под колонну здания размером в плане 12 Х 24 м. Давление по подошве квадратного фундамента 0,2 МПа, глубина его заложения d=1 м. Основанием фундаментов служат набухающие глины, залегающие слоем толщиной 10 м от поверхности и подстилаемые пылеватыми песками. Плотность глин 2 т/м³, давление набухания по лабораторным испытаниям р_sω=0,29 МПа. В процессе эксплуатации возможно увлажнение грунта водой в пределах всего здания; отношение сторон замачиваемой площади L_ω / В_ω = 24/12=2.

Решение. Разбиваем основание ниже подошвы фундамента на 10 слоев толщиной 1 м и определяем суммарное давление, действующее в середине каждого слоя при набухании грунта. Для первого слоя, примыкающего к подошве фундамента, найдем значение коэффициента k_g: середина этого слоя расположена на глубине z+d=0,5+1=1,5 м; тогда при (z+d)/В_ω =1,5/12=0,12 значение k_g =0. Для этого слоя давление от фундамента σ_z.р =ра=2·0,7=0,14 МПа, а р_z.g = γz = 2·0,5=0,1 МПа

В табл.1.10 приведены величины, используемые при определении σ_z.tot, а также коэффициент k_sω, находимый для каждого слоя грунта.

На глубине 9,5 м от подошвы фундамента суммарное давление больше давления набухания грунта, поэтому толщину зоны набухания принимаем равной 10 м от подошвы фундамента.

Для определения зависимости ε_sω = f(р) были испытаны в компрессионных приборах шесть образцов. Эти образцы замачивались под нагрузкой 0,007 (вес штампа прибора); 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 МПа.

Значения относительного набухания для характерных давлений следующие:

р, МП 0,07 0,08 0,096 0,11 0,15 0,18 0,226 0,27

ε_sω, % 3,2 3 2,4 2 1,8 1,7 1,3 1

Подъем фундамента определяется по формуле

h_sω = = 100(1,8·0,72 + 3,2·0,82 + 3,3·0,80 + 3·0,79 + 2,4·0,78 + 2·0,75 +

+ 1,81·0,72 + 1,7·0,69 + 1,3·0,66 + 1·0,62) 0,01 = 16 см,

где 0,01 – коэффициент, учитывающий переход значений ε_sω в % к значениям в долях единицы.

ТАБЛИЦА 1.10. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ σ_z.tot

Средняя глубина рассматриваемого слоя z, м		kg	σz.p, МПа	γz, МПа	σz.ad, МПа	σz.tot, МПа	ksω
0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5	0,12 0,21 0,29 0,37 0,46 0,54 0,63 0,71 0,79 0,88	0 0 0 0 0 0,04 0,13 0,21 0,29 0,38	0,14 0,036 0,014 0,007 0,005 0,003 0,001 - - -	0,01 0,03 0,05 0,07 0,09 0,11 0,13 0,15 0,17 0,19	- - - - - 0,005 0,02 0,036 0,055 0,08	1,5 0,66 0,64 0,77 0,95 1,18 1,51 1,86 2,25 2,7	0,72 0,82 0,8 0,79 0,78 0,75 0,72 0,69 0,66 0,62

6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И УСТРОЙСТВО ИСКУССТВЕННЫХ ОСНОВАНИЙ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ