3.3. Фундаменты мелкого заложения на искусственном основании.

При строительстве на сильно сжимаемых и мало прочных грунтах могут оказаться экономически выгодными методы искусственного улучшения основания, при которых применяются фундаменты мелкого заложения. В курсовом проекте рекомендуется разрабатывать, главным образом, методы уплотнения и замены слабых грунтов. Различают поверхностное и глубинное уплотнение грунтов. Расчет и проектирование уплотнения основания производится в соответствии с требованиями "Руководства по проектированию оснований зданий и сооружений".

3.3.1. Поверхностное уплотнение

Поверхностное уплотнение осуществляет либо путем свободного сбра­сывания на уплотняемую поверхность грунта трамбовки весом до 7 Кн диаметром до 1,8м с высоты 4-8 м либо путем послойной укатки при устройстве грунтовых подушек, устраиваемых взамен удаляемого грунта в пределах части или весей деформируемой зоны основания. Наибольший эффект уплотнения достигается при оптимальной влажности грунтов W₀.

Уплотнение тяжелыми трамбовками производится для просадочных, а также для других недоуплотненных (с высокой пористостью) грунтов природного сложения, степень влажности которых менее 0,7. Диаметр рабочей поверхности трамбовки d должен быть таким, чтобы удельное стати­ческое давление на грунт было бы не менее 20 кН/м² , Возможная глубина уплотнения h_у зависит от природной пористости и влажности грунтов и принимается равной 1,5 d для глин, 1,8 d для суглинков и 2 d для супесей и песков. Грунт считается уплотненным при значении объемно­го веса скелета , не менее 16 Кн/м³ на нижней границе уплотнен­ной зоны

Поверхностное уплотнение тяжёлыми трамбовками производится до отказа, величина которого принимается равной 1-2 см для глинистых грунтов и 0,5 -I см для песчаных. Для уплотнения до отказа в зависимости от начального значения обычно требуется 6-10 ударов трамбов­ки по одному следу.

Величина понижения трамбуемой поверхности Δh и, следовательно, величина недобора грунта при отрывке котлована определяется по фор­муле:

где - среднее значение объемного веса скелета грунта в пределах h_y до и после уплотнения, тс/м³; значение принимается не менее 16,5-17 кН/м³.

Уплотнение целесообразно, если величина Δh превышает 7-8 см. площадь уплотняемого основания должна иметь размеры, превышающие размеры подошвы запроектированного фундамента в каждом направлении не менее, чем на 0,5 м. При влажности уплотняемого грунта меньше оптимальной

целесообразно его доувлажнение, которое производится за сутки до начала трамбования расчетным количеством воды.

Расчет осадки фундамента на уплотненном тяжелыми трамбовками грунте производится как для двухслойного основания, состоящего из уп­лотненного грунта и залегающего ниже неуплотненного грунта природно­го сложения. Модуль деформации для уплотненных грунтов принимается не менее 20,0-25,0 МПа для суглинков и глин и 15,0-20,0 МПа для супесей и песков (первая цифра соответствует степени влажности S_r>0,85), для подстилающих грунтов природного сложения - на нижней границе h_y.

Для устройства грунтовых подушек при замене слабых (сильносжимаемых) водонасыщенных или неравномерно сжимаемых грунтов следует исполь­зовать уплотненные средние, крупные или гравелистые пески (в отдель­ных случаях гравия, щебень); при замене слоя просадочных грунтов – местный уплотненный глинистый грунт. Применение грунтовых подушек по­зволяет уменьшить общую величину осадки (или просадки) основания и ее неравномерность за счет повышения несущей способности уплотненно­го грунта в верхней наиболее напряженной зоне основания.

1 – подушка;

2 - обратная засыпка;

3 - слабый грунт;

4 – подстилающий плотный грунт;

- угол устойчивого откоса в слабом грунте.

Рис.3.12. Схема вариантов устройства песчаной (гравийной) подушки при полной замене слабого грунта.

а) со шпунтовым ограничением котлована;

б) с незакреплённым откосом.

Если толщина слабого (сильносжимаемого) грунта под подошвой фундамента не превышает 2 м, то целесообразно произвести полную замену его песчаной (гравийной) подушкой. В этом случае размеры подушки понизу b_n и l_n будут определяться толщиной заменяемого слабого грунта h_n и величиной угла (рис.3.12), который может ориентировочно принимается равным 35 и 40° для песков средних и крупных - 40 и 45 ° для гравелистых песков и крупнообломочных грунтов (гравийных, щебе­нистых).

При значительной толщине слабого слоя (до 5 – бм) высота песча­ной подушки находится путем подбора, исходя из условия обеспечения прочности подстилающего слабого слоя (рис. 3,13) на глубине z=h_n,

то есть P_oz+P_bz R_z, (3.66)

где P_oz – дополнительное давление на глубине z от фундамента здания или сооружения, определяемое по формуле (3.54);

P_bz - давление от собственного веса грунта, равное (h+z) ;

P_z - расчетное давление на кровлю слабого грунта на глубине z.

Рис.3.13. Схема для определения толщины песчаной подушки, определяемой из условия обеспечения прочности подстилающего слабого слоя.

Расчетное давление R_z вычисляется для условного фундамента шириной b_n ,которая равна

b_n= ² – a (3.67)

В формуле (3.67) обозначено

F_n= ; a= (3.68)

Где P - расчетная нагрузка (равнодействующая всех вертикальных нагрузок), передаваемая на основание проектируе­мым фундаментом;

l и b - соответственно длина и ширина b_n проектируемого фундамен­та.

Величина R_z определяется по формуле

R_z=γ_c1γ_c2/ k[M_γk_zb_сл+M_q(h+h_n )γ_{II сл} ^' +M_cC _IIсл] (3.69)

Где γ_c1, γ_c2, k - значения, принятые в формуле (3.11);

M_γ, M_q, M_c - безразмерные коэффициенты, определяемые по табл.3,2 в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения слабого грунта ;

- расчетное значение объемного веса слабого грунта, залегающего ниже подоивы условного фундамента­ ( на глубине z );

h+h_n - глубина заложения условного фундамента;

- среднее расчетное значение объемного веса грун­та, залегающего выше отметки подошвы условного фундамента и равное (см.рис.3.13)

= ; (3.70)

C_||сл - расчетное значение удельного сцепления слабого грунта, за-легающего непосредственно под подошвой условного фундамен­та.

При расчете оптимальной высоты подушки, ее значения рекомендуется приниматъ в интервале (0,3 - 0,5 ) b.

По найденному значений h_n устанавливают размеры подушки, как и в предыдущем случае

для h_n 2 м по углам и _ует (см. рис. 3.12).

Значение устойчивого угла откоса для слабого грунта находятся подбором по формуле

tg =tg + (3.71)

В песчаных грунтах значение .

При толщине слабого слоя более 6 м применение песчаных (гравийных) подушек, как правило, не экономично.

Плотность песка (гравия) в уплотненной подушке должна быть не ниже = 16,5 – 17,0 кН/м³. Для этого грунт отсыпается слоями по 15-30 см с уплотнением катками. Для уплотнения подушек могут при­меняться и тяжелые трамбовки. В этом случае подушка отсыпается на половину или сразу на всю высоту. Модуль деформации подушки в зависи­мости от принимается от 30,0 до 40,0 МПа. Расчет осадки фун­дамента на песчаной подушке производится как для двухслойного основа­ния.

При устройстве грунтовых подушек из местных уплотненных глинис­тых грунтов в просадочных грунтах необходимая толщина подушки определяется из условия полного или частичного устранения просадочных свойств в пределах деформируемой зоны основания.

При частичном устранении просадочных свойств грунтов в пределах деформируемой зоны толщина подушки определяется расчетом по деформациям исходя из того, что суммарные осадки и просадки фундаментов не должны превышать предельных по СНиП II-15-74 величин. Толщина грунто­вой подушки определяется по формуле

h_n= b , (3.72)

Р - среднее давление на грунт по подошве фундамента, кгс/см;

Р_пр - величина начального просадочного давления грунта, залегающего ниже грунтовой подушки, кгс/см²;

b - ширина фундамента, см.

Размеры грунтовых подушек в плане назначается в зависимости от размеров фундаментов, их конфигурации в плане, расстояния между фун­даментами, целевого назначения подушек, удобства производства работ и т.п. Размеры грунтовой подушки понизу b_n и l_n допускается опре­делять по формулам

b_n=b(1+2k_п) , (3.73)

l_n=l+2bk_п , (3.74)

где b и l - соответственно ширина и длина фундамента или соору­жения, см ;

k_n - коэффициент, учитывающий характер распределения го­ризонтальных деформаций в основании фундаментов при просадке грунта и принимаемый равным при Р =15-20 МПа; k_n =0,3; P =25-30 МПа , k_n=0,35; P=35-40МПа, k_n=0,4.

Минимальная ширина грунтовой подушки поверху должна быть не менее чем на 0,6 м больше ширины фундамента, а понизу не менее чем на 0,4 м. Уплотнение грунта в подушке осуществляет послойной укаткой или тяжелыми трамбовками до заданной плотности.