Тема 13. Фундаменти в складних та особливих інженерно-геологічних умовах

До складних інженерно-геологічних відносяться такі умови, коли для проведення будівництва необхідне покращення властивостей грунтів (ущільнення, закріплення), їх заміна або використання спеціальних фунда­ментів (наприклад, пальових). Такі заходи проводять у просідаючих, набухаю­чих, заторфованих, засолених та насипних грунтах. Сейсмічні регіони, території з підземними порожнинами та виробками, ділянки з можли­вими зсувами відносять до особливих умов.

1. Фундаменти на просідаючих грунтах. Просідаючими називаються глинисті грунти, які під дією зовнішнього навантаження або (і) власної ваги при замочуванні водою чи іншими розчинами дають додаткове осідання, що називається просіданням, причому величина відносного просідання ε_sl≥0,01.

Проектування основ і фундаментів на просідаючих грунтах виконують з урахуванням типу грунтових умов за просіданням. Грунтові умови ділянок, складених просідаючими грунтами, розділяються на два типи:

перший - просідання від власної ваги замоченого грунту відсутнє або не перевищує 5см;

другий - просідання від власної ваги замоченого грунту перевищує 5см.

Величина просідання замоченого грунту від власної ваги визначається потужніс-тю просідаючої товщі та величиною відносного просідання.

Знаючи величину відносного просідання ε_sl (див. тема 6) можна визначити просідання ос­нови за формулою

, де (13.1)

- число шарів, на які розділена просідаюча товща; - товщина і-го розрахун-кового шару; - коефіцієнт, приймається рівним 1 при визначенні просідання грунту від власної ваги. Приклад визначення типу грунтових умов за просіданням див. МВ 053-54.

Якщо замочування просідаючих грунтів неможливе, то будівництво ви­конують як у звичайних умовах. В протилежному випадку передбачають такі заходи:

- ліквідація властивостей просідання грунтів шляхом їх ущільнення або закріплення;

- прорізання просідаючої товщі фундаментами або масивами із закріпленого грунту;

- водозахисні заходи;

- конструктивні заходи;

- збільшення розмірів підошви фундаментів таким чином, щоб діючі сумарні на­пруження (від власної ваги і зовнішнього навантаження) в просідаючій товщі не перевищували початкового тиску просідання.

Якщо сумарна величина осідань і просідань, а також їх нерівномірність не перевищують допустимих величин, то вищенаведені заходи можна не передбачати.

Ми знаємо, що просідання грунтів відбувається за рахунок руйнування структурних зв‘язків, які складені легкорозчинними солями. Отже, для того щоб позбутися властивостей просідання необхідно попередньо зруйнувати ці структурні зв‘язки чи зробити їх стійкими до води чи будь-якої іншої рідини.

Ущільнення просідаючих грунтів виконують важкими трамбівками, грунтовими палями, витрамбовуванням котлованів, попереднім замочуванням (з вибухами чи без) тощо. Властивості просідання втрачаються при г/см³.

Ущільнення грунтів важкими трамбівками. Економічно доцільним є використання цього методу для ущільнення просідаючої товщі потужністю до 4м. Методика полягає в слідуючому. Трамбівку мосою 3-5т, яка змонтована на базі крана, піднімають на висоту 5-7м і різко опускають. Під дією власної ваги вона, падаючи на грунт, ущільнює його. Кількість ударів по одному сліду для забезпечення необхідного значення на потрібну глибину визначається експериментально.

Фундаменти в витрамбованих котлованах. Методика аналогічна до попередньої, проте кількість ударів по одному сліду значно більша. В результаті цього в грунті утворюється заглиблення (котлован), в якому влаштовується монолітний фундамент мілкого закладення.

Ущільнення основ грунтовими палями. Суть методу полягає в тому, що в грунті пробивають чи пробурюють свердловини, які заповнюються грунтом з пошаровим його ущільненням. При цьому ущільнюється просідаючий грунт навколо свердловин (рис 13.1).

Р аціональним є використання методу при потужності просідаючої товщі 8-20м і воло­гості, близькій до оптимальної.

У верхній частині масиву відбувається випирання грунту, тобто утворюється неущільнений буферний шар, який зрізають або доущільнюють трамбуванням..

Ущільнення грунтів замочуванням з вибухами. Ущільнення попереднім замочуванням відбувається за рахунок просідання замоченого грунту від власної ваги. При цьому зменшують пористість нижні шари грунтів, починаючи з глибини, на якій природні напруження перевищують початковий тиск просідання. Верхні шари недоущільнюються, тому замочуванням переводять грунти з ІІ-го типу в І-ий тип за просіданням. Замочування проводиться в котлованах (з свердловинами і без них). Для підвищення ефективності методу в замоченому грунті проводять глибинні вибухи.

Х імічне закріплення грунтів виконують шляхом нагнітання в просідаючу товщу закріплюючих розчинів (рідке скло - силікатизація, різні смоли - смолізація).

При взаємодії закріплюючих розчинів з солями, що містяться в грунті утворюються компоненти, які є стійкими до води чи будь-якої іншої рідини. Схема хімічного закріпення грунтів показана на рис. 13.2.

Якщо новоутворені структурні з‘язки в закріпленому грунті є недостатньо стійкими до води, то вико­ристовують дворозчинну силікатизацію (почергово нагнітають рідке скло і хлористий кальцій) або газову силікатизацію (рідке скло плюс вуглекислий газ).

При низькому коефіцієнті фільтрації грунту ви­користовують електросилікатиза-цію (одно- чи дво­розчинну). Через грунт пропускають постійний елек­тричний струм, який спричиняє рух катіонів разом з водою від ін’єктора до електрода.

Технологічні параметри закріплення визначаються за емпіричними залежностями, наведеними в довіднику [21].

В икористання пальових фундаментів. В усіх випадках палі повинні прорізати просідаючі грунти і заглиблюва­тись в скельні, піщані (крім пухких) чи глинисті грун-ти з показником текучості у во­донасиченому стані для грунтів I-го типу за просіданням, а для II-го - при і при ( - просідання грунту від власної ваги; - гранично допустиме осідання фундаменту будівлі). Величина заглиблення палі в непросідаючий грунт визначається виходячи з необхідної несучої здатності палі і повинна бути не менше 1м для всіх грунтів, крім скельних і велико­уламкових, для яких вона приймається не менше 0,5м.

Несуча здатність паль в грунтових умовах I-го типу за просіданням (рис. 13.3) визначається з умови, що такі грунти зменшують несучу здатність при замочуванні. Значення опору грунту на бічній поверхні паль (f) межах просідаючої товщі слід приймати рівним нулю.

В процесі просідання грунтів в грунтових умовах II-го типу за просіданням на бічній поверхні паль виникає негативне тертя (рис. 13.4), яке створює додаткове навантаження, тому розрахунок виконують виходячи з умови

, де (13.3)

- розрахункове навантаження на палю; - допусти-ме навантаження на палю; - несуча здатність палі, що виз-начається на глибині, де діє позитивне тертя; - коефіцієнт надійності; - коефіцієнт умов роботи: при см ; при . Для проміжних значень визначається інтерполяцією; - сила негативного тертя. При можливому замочуванні зверху ви­значається як для зволоженого грунту при показнику текучості, розрахованому за формулою

(13.4)

Якщо визначене за (13.4) значення , то приймають, .

У випадку підйому рівня грунтових вод визначається за формулою

, де (13.5)

- периметр палі; - глибина, в межах якої діє сила негативного тертя (приймається рівною глибині, нижче якої просідання грунту від власної ваги дорівнює 5см); - товщина і-го шару грунту (в межах, де проявляється негативне тертя); - розрахунковий опір грунту, визначається до глибини 6м за формулою

, (13.5)

а нижче приймається постійним.

Тут - коефіцієнт бічного тиску; - напруження від власної ваги грунту; - значення кута внутрішнього тертя і питомого зчеплення грунту в межах .

Якщо просідання грунту від власної ваги перевищує 30см, то передбачають попереднє замочування просідаючої товщі для переведення таких грунтів в І-й тип грунтових умов за просіданням. Несучу здатність палі в цьому випадку визначають з урахуванням попереднього замочування просідаючої товщі.

Водозахисні заходи. Ці заходи включають: компоновку генплану (збереження природних умов стоку поверхневих вод); планування території, що забудовується (зберігаються шляхи природного стоку води); відвід поверхневих вод через стічну мережу; влаштування під будівлями і спорудами водонепроникливих екранів; якісну засипку пазух; влаштування відмосток навколо будівель; прокладку комунікацій для води в спеціальних лотках; відвід аварійних вод за межі будівель; виготовлення водонепроникних підлог і т.п.

Вимоги до таких заходів наводяться в “Пособии по проектированию ос­нований зданий и сооружений” [22].

Водозахисні заходи, як показав досвід експлуатації будівель споруджених з їх застосуванням, не надійні і можуть використовуватись для маловідповідальних будівель.

Конструктивні заходи. Такі заходи призначають, виходячи з розрахунків конструкцій на нерівномірні просідання грунтів. Вони розділяються на три групи: підвищення жорсткості будівель; збільшення податливості будівель; забезпечення нормальної експлуатації будівель при нерівномірних деформаціях будівель.

За конструктивними особливостями будівлі і споруди розділяються на:

жорсткі - складають одну просторову цілісність (труби, силоси, башти тощо);

відносно жорсткі - чутливі до нерівномірних деформацій, складаються із жорстко зв’язаних елементів (всі житлові і цивільні та деякі промислові будівлі);

гнучкі - елементи будівель зв’язані між собою шарнірно (одноповерхові промислові будівлі, естакади тощо).

Заходи 1-ї групи використовують для відносно жорстких будівель, 2-ї групи - для гнучких будівель, а 3-ї групи (в сукупності із заходами 1-ї і 2-ї груп) - для будівель, що мають спеціальне технологічне обладнання (ліфти, мостові крани тощо) і направлені на забезпечення нормальної експлуатації цього обладнання.

Підвищення жорсткості будівель досягаються: розрізкою деформаційними швами; влаштуванням залізобетонних поясів, армованих швів; підсиленим армуванням стиків між елементами; використанням монолітних фундаментів і т.п.

Збільшення податливості будівель забезпечується гнучкими зв’язками між елементами конструкцій, збільшенням площі опирання елементів і стійкості елементів при підвищених деформаціях та ін.

Забезпечення нормальної експлуатації будівель досягається шляхом використання таких конструктивних рішень, які дозволяють відновити нормальну експлуатацію кранів, ліфтів і т.п. (використання болтових з’єднань, спеціальні фундаменти, запаси в розмірах тощо).