Методы расчета откосов

 Во всех расчетах напряженное состояние полагается плоско деформированным, то есть рассматривается узкая полоса склона шириной 1 м, условия ее работы сохраняются для всего склона. В этих методах поверхность скольжения считается известной заранее. При расчетах устойчивости склона или оползневого давления призма скольжения делится вертикальными линиями на ряд отсеков. Обычно отсеки принимаются такими, чтобы без потери точности можно было в их пределах принимать поверхность за плоскость, а очертание склона, действие внешних сил и т.п. практически однородными. Рассматриваются условия равновесия i-го отсека (Рис. 1, Рис. 2, Рис. 3). Все внешние активные силы (вес грунта в отсеке, внешняя нагрузка и т.д.), действующие на i-й отсек, приводятся к равнодействующей P_i. Последнюю раскладываем в точке ее приложения на составляющие: нормальную P_Ni и касательную P_Qi к плоскости возможного сдвига отсека.

 P_Ni= P_icos α_i; P_Qi = P_isin α_i. 

Метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения

Этот метод достаточно подробно рассмотрен в литературе и часто применяется на практике. Описание метода можно найти в книге Клейн Г.К. «Строительная механика сыпучих тел».

Рис.1. Схема расчета по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения.

 Предполагаем, что центр O и радиус кривизны R поверхности скольжения заранее известны. В этом методе силы взаимодействия между соседними отсеками не учитываются, опираясь на то, что сумма этих сил должна быть равна нулю, а суммарный момент от них относительно точки O невелик. Касательная сила от всех нагрузок P_Qi=P_isin α_i является сдвигающей силой, вызывающей сползание откоса. Сила сопротивления сдвигу сыпучего тела, находящегося за поверхностью скольжения (реакция), может быть представлена в виде суммы сил трения и сцепления:

 T_i =N_i tanφ_i+ c_is_i,  где N_i – нормальная реакция опоры. s_i – длина дуги поверхности скольжения в пределах данного элемента i φ_i – угол внутреннего трения в пределах дуги s_i c_i – удельное сцепление в пределах дуги s_i.

Из уравнения проекций всех сил на нормаль к площадке отсека получаем.

 N_i =P_Ni =P_i cosα_i,

 Второе уравнение проекций остается неудовлетворенным, так как силы взаимодействия между отсеками не рассматривается. Условие равновесия откосов сводится к уравнению моментов всех сил, действующих на сползающую призму, относительно центра O поверхности скольжения.

  Учет сейсмического воздействия при расчете противооползневых удерживающих конструкций осуществляется добавлением к расчетным усилиям, так называемой сейсмической силы Q_ci. Сейсмическая сила Q_ci приближенно определяется как доля от веса массы грунта, которая претерпевает сейсмическое воздействие:

 Q_ci = μ*P_i

 где μ – коэффициент динамической сейсмичности, значения которого рекомендуется при расчете естественных склонов принимать по табл. 1. При расчете искусственных откосов (насыпи дорог, плотины т.д.) значения коэффициента из табл. 1 следует (приближенно) увеличивать в 1,5 раза.

 Направление силы Q_ci рекомендуется считать наиболее неблагоприятным. В связи с этим будем принимать, что сейсмические силы в каждом отсеке оползневого блока направлены параллельно основанию отсека. Условие равновесия откосов сводится к уравнению моментов всех сил, действующих на сползающую призму, относительно центра O поверхности скольжения.

 При этом силы сопротивления сдвигу уменьшены в k раз с учетом необходимости обеспечить определенный запас устойчивости откоса против разрушения.

   Тогда коэффициент выражается:

 Учитывая, что , окончательно получим:: 

Расчеты, необходимые при устройстве искусственного основания с помощью грунта. Средства уплотнения. Контроль качества уплотнения.

сновным работам по уплотнению грунтов и устройству грунтовых подушек должно предшествовать опытное уплотнение, в ходе которого должны быть установлены технологические параметры и контрольные величины показателей качества.  Поверхностное уплотнение грунтов трамбованием следует выполнять с соблюдением следующих требований: - при различной глубине заложения фундаментов уплотнение грунта следует производить, начиная с более высоких отметок; - по окончании поверхностного уплотнения верхний недоуплотненный слой грунта необходимо доуплотнить по указанию проекта; - уплотнение грунта трамбованием в зимнее время допускается при немерзлом состоянии и естественной влажности (необходимая глубина уплотнения при влажности грунта ниже оптимальной достигается увеличением веса, диаметра или высоты сбрасывания трамбовки); - контрольное определение отказа производится двумя ударами трамбовки при сбрасывании ее с высоты, принятой при производстве работ, но не менее 6 м (уплотнение признается удовлетворительным, если понижение уплотняемой поверхности под действием двух ударов не превышает величины, установленной при опытном уплотнении). Искусственные основания: Механическое уплотнение

Песчаные подушки

Свайные основания и ростверки

Расчет свай-стоек

Расчет свайных оснований методом одиночных свай.

Искусственные основания устраиваются при слабых грунтах и больших нагрузках на подошву фундамента. В гражданском строительстве при слабых грунтах и небольших нагрузках обычно ограничиваются уплотнением грунта на глубину 1,5–2,0 м или устройством песчаной подушки, размеры которой определяются расчетом. При больших нагрузках на подошву фундамента применяются свайные основания, опускные колодцы, цементация и силикатизация грунтов основания.  Если залегающие непосредственно под подошвой фундамента грунты слабые, рыхлые, с малым расчетным сопротивлением и не могут служить естественным основанием под фундамент, в качестве основания применяются песчаные подушки. В этом случае слабые грунты под подошвой удаляют на глубину, определяемую расчетом, а образовавшийся котлован заполняют крупно- или среднезернистым песком или гравелистым грунтом, обладающими малой сжимаемостью и допускающими давление в 2—2,5 кг/см2.  Давление в грунтах основания быстро уменьшается по мере удаления от подошвы, достигая в ленточных фундаментах 55 % от среднего давления под подошвой на глубине, равной ширине фундамента, и 30 % на глубине, равной двойной ширине подошвы. В прямоугольных в плане фундаментах падение давления происходит еще интенсивнее.  В связи с указанными свойствами грунтов, поперечное сечение песчаных подушек может быть принято по кривой изобар. Размеры подушек должны быть такими, чтобы давления, возникающие по кривой (рис. 1), были равны или меньше расчетного сопротивления на слабый грунт. Свойство уменьшения давления в грунтах по мере удаления от источника сжатия используется также при определении ширины подошвы фундамента в тех случаях, когда подстилающий слой слабее рабочего. На практике для упрощения формы очертание подушки в разрезе принимается не по кривой равных давлений, а по объемляющей ломаной, как показано на рис. 1 справа.  Отсыпка песчаной подушки производится слоями толщиной 15—20 см с тщательным уплотнением площадочными вибраторами. Ширина подушки понизу обычно принимается равной ширине подошвы фундамента с небольшим уширением (на 20—25 см) вверху подушки, учитывая, что изобары давлений, соответствующие 50–55 % от средних давлений под подошвой, обычно не выходят за пределы ширины подошвы фундаментов.  Расчет песчаных подушек сводится к следующему.  1. Определяют ширину подошвы фундамента b из условия прочности песчаной подушки по формуле:  2 . Находят величину a — отношение расчетного сопротивления слабого грунта к среднему давлению под подошвой:  3. Зная величину a, находим по табл. отношение h/b, обозначенное через m.  По найденным величинам b и m определяют высоту подушки h по формуле: 

Региональные (особые) виды грунтов и их основные свойства.

К особым грунтам относятся структурно неустойчивые грунты. При определенных условиях их природная структура сравнительно резко нарушается. К ним относятся: - лёссовые, структура которых нарушается при замачивании их под нагрузкой; - мерзлые, структура которых нарушается при оттаивании; - рыхлые пески, резко уплотняющиеся при динамических воздействиях; - илы и чувствительные глины, деформационные и прочностные свойства которых резко изменяются при нарушении их природной структуры; - набухающие грунты, которые при увлажнении способны существенно увеличиваться в объеме даже под нагрузкой; - торфы и заторфованные грунты, обладающие очень большой сжимаемостью и малой прочностью; - скальные и полускальные грунты, обладающие высокой прочностью и малой деформативностью. Структурно-неустойчивые грунты часто относят к региональным типам грунтов потому, что эта грунты часто группируются в пределах определенных географо-климатических зон и тяготеют к определенным регионам страны, преобладают в одних регионах и практически могут отсутствовать в других. К особым видам грунтов также следует отнести биогенные грунты, плывуны, растительные и мерзлые грунты. Грунты, содержащие значительное количество органических веществ, называются биогенными. К ним относятся заторфованные грунты, торфы и сапронелы (пресноводные илы). Ил — водонасыщенный современный осадок водоемов, образовавшийся в результате протекания микробиологических процессов, имеющий влажность, превышающую влажность на границе текучести, и коэффициент пористости более 0,9. Плывуны — это грунты, которые при вскрытии приходят в движение подобно вязкотекучему телу, встречаются среди водонасыщенных мелкозернистых пылеватых песков. Различают плывуны истинные и псевдоплывуны. Истинные плывуны характеризуются присутствием пылевато-глинистых и коллоидных частиц, большой пористостью (> 40%), низкими водоотдачей и коэффициентом фильтрации, особенностью к тиксотропным превращениям, оплыванием при влажности 6—9% и переходом в текучее состояние при 15—17%. Псевдоплывуны — пески, не содержащие тонких глинистых частиц, полностью водонасыщенные, легко отдающие воду, водопроницаемые, переходящие в плывунное состояние при определенном гидравлическом градиенте. Почвы или растительные грунты — это природные образования, слагающие поверхностный слой земной коры и обладающие плодородием. К нескальным искусственным грунтам относятся грунты, уплотненные различными методами (трамбованием, укаткой, виброуплотнением, взрывами, осушением и др.), насыпные и намывные

2. $$$Реологические процессы, ползучесть и длительная прочность грунтов. Стабилизированное и нестабилизированное состояние грунтов при сдвиге. – 132

Глинистые грунты обладают явно выраженными реологическими свойствами - ползучестью, релаксацией напряжений, изменением прочности во времени, причем при оттаивании они могут резко менять свои механические свойства.  ПОЛЗУЧЕСТЬ — медленное нарастание во времени пластической деформации материала при силовых воздействиях, меньших, чем те, которые могут вызвать остаточную деформацию при испытаниях обычной длительности. Ползучесть сопровождается релаксацией напряжений. Ползучесть свойственна практически всем конструкциям материалам. Для сталей и чугунов ползучесть существенна лишь при повышении температуры (св. 300 °С) и протекает тем интенсивнее, чем выше температура. Для металлов с низкой температурой плавления, для бетона, дерева, высокополимерных материалов ползучесть весьма заметна и при комнатных температурах. Ползучесть бетона существенно зависит от его возраста с момента изготовления; чем «моложе» бетон, тем выше его ползучесть. Определение характеристик реологических свойств необходимо для решения основных вопросов проектирования и строительства подземных гидротехнических объектов, в частности: - для расчетов напряженно-деформированного состояния системы подземное сооружение - горный массив, включая вопросы оценки прочности и устойчивости массива вокруг незакреплённых горных выработок с целью разработки рекомендаций по конструкции и технологии временного и постоянного креплений; - для определения типа конструкций и размеров обделок напорных туннелей и шахт; - для моделирования, в том числе и численного, совместной работы сооружений и массива в сложных инженерно-геологических условиях; - при разработке технологии строительства подземных сооружений, включая вопросы их поэтапного возведения; - для анализа данных натурных наблюдений в процессе строительства и эксплуатации подземного сооружения с целью уточнения прогнозов их работоспособности. 

Сваи. Классификация свай: материалы, конструкций, способ изготовления, область применения. Методы устройства свай: забивка, вибропогружение, вдавливание, завинчивание. Оборудование для погружения свай.

Свайный фундамент состоит из свай и ростверка.  Назначение свай – воспринимать давление сооружения и передавать их на более плотные грунты основания. В общем случае свая – это стержень, находящийся в грунте в вертикальном или наклонном положении. Служат для передачи нагрузки на основание за счет нижнего конца и боковой поверхности. Достоинства: -высокая несущая способность - индустриальность - сокращение земляных и водопогружательных работ - снижение осадок и неравномерностей - повышение устойчивости при действии наклонных и горизонтальных нагрузок Классификация свай: 1. в зависимости от характера работы сваи в грунте:  - сваи-стойки. Конец сваи опирается на несжимаемое основание (скальное, плотные пески, пылевато-глинистые грунты твердой консистенции, J_L<0 – показатель текучести) - висячие сваи  2. по расположению ростверка по отношению к земной поверхности. - с низким ростверком - с высоким ростверком 3. по расположению свай относительно вертикали - вертикальные - наклонные - козловые 4. по способу погружения и возведения - забивные - набивные (выполняются на строительной площадке в скважинах) - винтовые 5 по форме поперечного сечения - с полостью - трубчатые 6 в зависимости от профиля продольного сечения а. постоянного круглого или призматического б. переменного поперечного сечения по высоте в. с уширение ствола - на нижнем конце - по середине сваи - в верхнем конце сваи 7. по материалу сваи - ж/б - деревянные - металлические - комбинированные - грунтовые (как искусственное основание)

Сваи погружают в грунт забивкой, вибрацией, завинчиванием и ударом с подмывом струей воды. Забивают сваи с помощью сваебойной установки, состоящей из свайного молота и копра, монтируемого в качестве навесного оборудования на тракторе или экскаваторе. Свайные молоты подразделяют на механические, паровоздушные, дизель-молоты и электрические — вибропогружатели и вибромолоты.

Связаная вода. Ее природа.

Выделяют две категории воды в горных породах - свободную и связанную. Связанная вода находится и удерживается в наиболее мелких порах и трещинах горных пород и испытывает со стороны поверхности твердой фазы минералов "связывающее" влияние разной природы и интенсивности, изменяющее ее структуру и придающее ей аномальные свойства, то есть не такие, как у обычной, свободной воды. Суммарное содержание связанной воды в литосфере Земли составляет около 42% от общего количества воды в земной коре. Однако связанную воду не так просто извлечь из породы, в которой она находится. Под действием поверхностных сил разной природы она относительно прочно удерживается на поверхности минералов, не подчиняется силам гравитации и ее передвижение в породах может происходить лишь под влиянием сил иной природы.  Первые представления о связанной воде возникли почти сто лет назад. 

К настоящему времени достаточно хорошо изучено строение единичной молекулы воды, состоящей из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Она характеризуется дипольным строением и тетраэдрическим распределением зарядов: два положительных - на атомах водорода, два отрицательных - на неподеленных парах электронов атома кислорода. Такое строение молекулы воды позволяет ей образовывать до четырех водородных связей с соседними молекулами.  Многочисленными экспериментами, было установлено, что некоторые свойства связанной воды, находящейся в породах в виде тонких, так называемых граничных, слоев вблизи твердой поверхности, существенно отличаются от свойств обычной свободной воды. Их стали называть аномальными. В последнее время было убедительно установлено, что плотность связанной воды в тонких пленках повышена всего лишь на 1,5% по сравнению со свободной водой и составляет в среднем около 1,02 г/см³. Основная причина понижения температуры замерзания связанной воды - взаимодействие ее с твердой минеральной поверхностью, точнее - с ее активными центрами. Энергия взаимодействия молекул воды с активными центрами поверхности минералов, а также с находящимися в поровом растворе ионами больше, чем энергия взаимодействия молекул воды между собой. Это и приводит к тому, что активный центр нарушает сетку водородных связей в воде, а фазовый переход осуществляется лишь при более низкой температуре. Не менее интересным свойством связанной воды в горных породах является ее пониженная по сравнению со свободной водой растворяющая способность. Связанная вода способна растворять меньше солей, чем обычная вода. Это обстоятельство также является следствием измененной структуры связанной воды.  Другое аномальное свойство связанной воды - понижение ее диэлектрической проницаемости в несколько раз по сравнению со свободной водой. Если для обычной воды диэлектрическая проницаемость равна 81, то для связанной воды эта величина уменьшается до 3 - 40, в зависимости от толщины водной пленки. 

Сжимаемость нескальных грунтов. Роль пористости в механических свойствах нескальных грунтов.

Сжимаемостью называют способность породы к уменьшению объема под воздействием нагрузки. Показатель текучести I_L характеризует консистенцию глинистого грунта. По его величине можно косвенно определить и степень сжимаемости основания. Например, если в основании залегают глинистые грунты с показателем текучести I_L Ј 0, то данный слой грунта обладает низкой сжимаемостью. Значение I_L і 0,75 говорит о повышенной сжимаемости основания. Наихудшим видом основания являются илы и заторфованные грунты. Лессовые грунты в маловлажном состоянии могут служить хорошим основанием. Однако при замачивании водой они дают просадку. Пористостью n грунта называется отношение объема пор к полному объему образца грунта. Коэффициентом пористости e или относительной пористостью называется отношение объема пор в образце к объему, занимаемому его твердыми частицами - скелетом, то есть e=n/1-n Теоретически пористость n изменяется в пределах от нуля (поры отсутствуют) до единицы (скелет отсутствует). Соответственно коэффициент пористости e изменяется от нуля (поры отсутствуют) до бесконечности (скелет отсутствует). Пористость не может быть больше единицы, в то время как коэффициент пористости может быть больше единицы (например у лессов, торфа). Коэффициент пористости равен единице, если объем пор равен объему, занятому твердыми частицами. 

Современные и перспективные виды фундаментов (материалы, конструкции, методы устройства, области применения). Вариантное проектирование, принципы технико–экономического сопоставления вариантов фундаментов.

Выбор типа оснований или конструктивного решения фундаментов выполняется на основании технико-экономического сравнения различных вариантов.

К техническим показателям относятся: тип оснований и конструкции фундаментов, расчетные осадки, материалоемкость.

К экономическим показателям относятся: приведенные затраты, сметная стоимость, трудоемкость изготовления, продолжительность работ, капитальные вложения в материально-техническую базу строительства, эксплуатационные затраты.

Для сравнения различных вариантов фундаментов используется принцип сопоставимости, который предполагает, что все варианты должны быть рассчитаны на одинаковые нагрузки для одних и тех же грунтовых условий.

Варианты решений фундаментов должны основываться на объективных данных инженерно-геологических изысканий. Проектные решения фундаментов следует сравнивать при равной степени проработки конструктивных элементов, определяя приведенные затраты.

Выбор основания заключается в определении несущего слоя грунта, исходя из инженерно-геологических условий строительной площадки. На рис. Ф.8.5 показаны три типа различных инженерно-геологических условий и приведены показатели, по которым можно косвенно судить о прочности грунтов основания.

П ри однородном основании выбор несущего слоя однозначен, но подобные грунтовые условия встречаются редко. Более часто основание бывает сложено разнородными грунтами, например такими, как показано на рис. Ф.8.5,а,б,в. Во втором случае более прочным является второй слой (показатель текучести I_L имеет минимальное значение), а в третьем - первый и третий слои грунта.

Рис. Ф.8.5. Различные схемы напластований грунтов и варианты рекомендуемых типов фундаментов: а - прочный грунт (1) подстилается еще более прочным (2); б - слабый грунт сверху (3) подстилается прочным (1); в - слой слабого грунта (3) находится между более прочными слоями (1): в этом случае можно предложить закрепление (5)

В общем случае, если стоимость фундаментов не имеет определяющего значения, в качестве несущего слоя могут приниматься любые грунты, но не рекомендуется для него использовать ил, торф, рыхлые песчаные и текучепластичные глинистые грунты.

При выборе типа фундаментов определяющим является конструктивное решение здания или сооружения. Как правило, для жилых зданий применяются ленточные сборные или монолитные фундаменты, а для промышленных зданий - отдельно стоящие сборные или монолитные фундаменты. В том случае, если несущий слой грунта находится на расстоянии более 3-5 м от поверхности, применяют свайные фундаменты. Для специальных сооружений типа элеваторов, градирен, дымовых труб, АЭС и ТЭЦ могут применяться фундаменты в виде сплошных железобетонных плит с глубиной заложения не более 5 м. При неоднородном основании в некоторых случаях для жилых и административных зданий может оказаться более эффективным применение фундаментов в виде перекрестных лент и сплошных плит.

Составные части (фазы) грунта. Характеристики физических свойств.

В большинстве случаев грунты состоят из трех компонентов: твердых частиц, воды и воздуха или иного газа, т. е. составные части грунта находятся в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Соотношение этих компонентов обусловливает многие свойства грунтов. Если грунт состоит из твердых частиц, все поры между которыми заполнены водой, то он является двухкомпонентной (двухфазной) системой. Иногда такой грунт называют грунтовой массой. В большинстве же случаев в грунте, кроме твердых частиц и воды, имеется воздух или иной газ, либо растворенный в поровой воде или находящийся в виде пузырьков, окруженных поровой водой, либо свободно сообщающийся с атмосферой. Такой грунт является трехкомпонентной (трехфазной) системой. В мерзлом грунте, кроме того, содержится лед. Он придает грунту специфические свойства, которые приходится учитывать, особенно при строительстве в районах распространения вечномерзлых грунтов. Мерзлый грунт является четырехкомпонентной (четырехфазной) системой. В некоторых грунтах присутствуют органические вещества в виде растительных остатков или гумуса. Наличие даже сравнительно небольшого количества таких веществ в грунте, существенно отражается на его свойствах.

Для оценки строительных свойств грунтов пользуются рядом его характеристик. Изобразим схему 1 см³ грунта (3-х фазная система). 1-ая группа характеристик, определяемых опытным путем. 1. Плотность грунта ненарушенной (естественной) структуры 2. Плотность твердых частиц грунта 3. Весовая влажность грунта

2-ая группа характеристик, определяемых расчетами. 1. Плотность сухого грунта 2. Пористость грунта: П 3. Коэффициент пористости грунта: е  Физические свойства песчаных грунтов:

Гранулометрический состав, плотность р (г/см3), влажность w(%), плотность сухого грунта pd (г/см3), пористость П, коэф пористости е, степень влажности Sr, коэф однородности Cv Физические свойства глинистых грунтов:

Плотность р (г/см3), влажность w(%), влажность на границе раскатывания wр(%), влажность на границе текучести wL(%), плотность сухого грунта pd (г/см3), пористость П, коэф пористости е, степень влажности Sr, число пластичности Ip, показатель консистенции IL

Статистический подход к оценке физических и механических свойств грунтов. Определение нормативных и расчетных характеристик грунтов.

Определение нормативных и расчетных характеристик грунтов. В силу неоднородности грунтов физико-механические свойства даже в пределах одного слоя не постоянны, поэтому определение характеристик по результатам испытаний одного образца дает лишь частное значение искомой величины. Для получения достоверных значений физико-механических характеристик грунтов прибегают к статистической обработке результатов ограниченного числа испытаний. В расчетах оснований доверительный интервал зависит от степени влажности и возможности ожидаемого события. При расчетах устойчивости грунтов принимают а=0,95, а при расчетах де-формативности а=0,85. Такое различие объясняется тем, что потеря устойчивости грунта опаснее осадки. Принятые доверительные вероятности означают, что в первом случае только 5%, а во втором — 15% значений частных определений будет больше или меньше принятого значения искомой характеристики. Число частных определений к, по которым назначают нормативные и расчетные значения характеристик, зависит от неоднородности грунтов и степени ответственности возводимого здания или сооружения. Для статистической обработки требуется не менее шести испытаний. Для получения более достоверного значения требуется большее количество опытов: чем оно больше, тем меньше значение а и рт, соответственно сужается и доверительный интервал, т. е. значение искомой характеристики будет в большей степени приближаться к действительному. При полевых испытаниях грунтов жесткими штампами, целью которых является определение модуля деформаций, допускается находить его по результатам трех опытов или двух, если результаты отличаются друг от друга не более чем на 25%. Рис. 1.10. Статические кривые распределения значений физико-механических характеристик: 1 — тедретаческая; 2 — экспериментальная

Строительство на структурно – неустойчивых грунтах. Физические свойства нескальных и скальных грунтов и методы их определения.

При строительстве и эксплуатации городских зданий и сооружений на структурно-неустойчивых грунтах при определенных инженерно-геологических условиях зафиксированы многочисленные случаи образования резко выраженных неравномерных осадок, которые часто приводили к полному разрушению. К структурно-неустойчивым грунтам относятся лёссовые грунты, грунты, находящиеся в мерзлом и вечномерзлом состоянии, рыхлые пески, илы, чувствительные пылеватолинистые грунты, а также пылевато-глинис-тые набухающие грунты. Развитие значительных неравномерных осадок в структурно-неустойчивых грунтах происходит из-за нарушения их природной структуры, которое возможно в результате механических и физических воздействий. Механические воздействия обусловлены приложением внешней нагрузки от фундаментов, а также различными динамическими явлениями (вибрация, колебания и т. п.), происходящими в результате движения транспорта, технологических, производственных и других факторов. К механическим воздействиям наиболее чувствительны несвязные и слабосвязные грунты, а именно, слабые насыщенные водой пылевато-глинистые грунты, илы, заторфованные грунты, рыхлые пески и др. Физические воздействия, при которых происходит нарушение структуры грунтов, обусловлены дополнительным увлажнением, которое может оказать неблагоприятное влияние на лёссовые и набухающие грунты; оттаиванием мерзлых и вечномерзлых грунтов, а также химической а механической суффозией и выветриванием. Данный тип воздействий приводит к увеличению деформативности вследствие разрушения структурных связей, вызывая дополнительные неравномерные осадки. В структурно-неустойчивых грунтах при приложении внешней нагрузки разрушение структурных связей происходит быстрее, чем образование новых, в отличие от структурно-устойчивых грунтов, в которых одновременно с частичным нарушением структуры и уплотнения возникают новые связи, увеличивая тем самым их прочность. Поэтому в структурно-неустойчивых грунтах процесс разрушения структурных связей происходит лавинообразно и приводит к развитию просадки, не связанной с процессом постепенного уплотнения. Возведение и эксплуатация сооружений на структурно-неустойчивых грунтах весьма затруднительны, поэтому при проектировании необходимо учитывать условия, при которых возможно нарушение их природной структуры и развитие просадки, и принимать меры, направленные на устранение таких неблагоприятных явлений. Следует отметить, что основания, сложенные структурно-неустойчивыми грунтами при нагрузках, напряжения от которых не превышают структурной прочности, обладают в некоторых случаях удовлетворительными физико-механическими характеристиками, которые резко ухудшаются при нарушении структуры или превышения напряжениями структурной прочности.

К структурно-неустойчивым грунтам относят мерзлыеивечномерзлыегрунты;лессовые просадочныегрунты,слабые водонасыщенные,пылевато-глинистые,засоленные, заторфованныегрунты. В определенной мере сюда могут быть отнесены инасыпныегрунты. Несмотря на различие в условиях образования грунтов этой группы их объединяетобщее свойство– в природном состоянии эти грунты обладают структурными связями, которые при определенных воздействиях резко снижают свою прочность или полностью разрушаются (это может быть от быстро возрастающих, динамических, вибрационных нагрузок или физических процессов – повышениеt-ры мерзлых грунтов, обводнение лессовых или засоленных грунтов и т.п.)Структурно-неустойчивые грунты часто называют региональными, т.к. эти грунты группируются преимущественно в определенных географо-климатических зонах (регионах).При строительстве на таких грунтах кроме общепринятых для обычных условий решений требуется проведение комплекса специальных мероприятий, учитывающих их особые свойства.Эти мероприятияразделяются на четырегруппы:1 группа: меры, предпринимаемые для исключения неблагоприятных воздействий на грунты.2 группа: способы искусственного улучшения структурных свойств оснований, с помощью которых нейтрализуются последствия воздействия неблагоприятных факторов.3 группа: конструктивные мероприятия, понижающие чувствительность зданий к неравномерным деформациям основания.4 группа: применение специальных типов фундаментов.

Существующие методы осушения котлованов и области их применения.

В зависимости от притока подземных вод и вида грунта осушение котлована может быть осуществлено с применением открытого водоотлива, легких иглофильтровых установок (ЛИУ), буровых скважин с насосами, дренажных систем и др.

Открытый водоотлив. Применяется при разработке неглубоких котлованов и незначительном притоке подземных вод в водонасыщенных скальных, обломочных или галечных грунтах. При открытом водоотливе широко применяются центробежные насосы. Открытый водоотлив организуют следующим способом. По периметру котлована устраивают дренажные канавки с уклоном 0,001…0,002 в сторону приямков, из которых по мере поступления вода откачивается с помощью насосов. По мере разработки котлована приямки постепенно заглубляются вместе с канавками. Для исключения нарушения природной структуры грунтов основания вода не должна покрывать дно котлована. В мелкозернистых грунтах открытый водоотлив приводит к оплыванию откосов котлованов и траншей, к разрыхлению грунта в основаниях зданий и сооружений. Здесь целесообразно применить глубинное водопонижение уровня грунтовой воды.

2 Легкие иглофильтровые установки (ЛИУ). Используют для глубинного водопонижения грунтовых вод на глубину 4-5м в песчаных грунтах. При этом способе водопонижения иглофильтры располагают по периметру котлована обычно с шагом 0,8…1,5м. Откачку воды из иглофильтров производят с помощью вихревого насоса через всасывающий коллектор. При этом вокруг каждого иглофильтра образуются депрессионные воронки, которые, соединяясь, и приводят к понижению уровня грунтовых вод в будущем котловане или траншее. Для понижения УГВ свыше 5м применяют многоярусные легкие иглофильтровые установки, которые требуют, как правило, расширения котлована и увеличения земляных работ.

3 Понижение УГВ эжекторными иглофильтрами. Для водопонижения в грунтах с большим коэффициентом фильтрации и при близком залегании водоупора от разрабатываемой выемки используют эжекторные установки ЭИ-2,5; ЭИ-4 и ЭИ-6, состоящие из иглофильтров с эжекторными водоподъемниками, распределительного коллектора и центробежных насосов. Эжекторные установки позволяют понижать уровень грунтовых вод до 25м.

4 Понижение УГВ с электроосмосом. В пылевато-глинистых грунтах, имеющих коэффициент фильтрации менее 2м/сут, искусственное водопонижение осуществляют с помощью электроосмоса в сочетании с иглофильтром. Его выполняют в такой последовательности. По периметру котлована с интервалом 1,5…2м располагают иглофильтры, а между ними (в шахматном порядке относительно иглофильтров) по бровке котлована забивают металлические стержни из арматуры или труб небольшого диаметра. Эти стержни подсоединяют к положительному полюсу источника постоянного тока напряжением 40…60 В, а иглофильтры - отрицательному. Под действием тока рыхлосвязанная поровая вода переходит в свободную и, перемещаясь от анода к катоду (иглофильтру), откачивается, в результате уровень грунтовых вод понижается. При этом способе водопонижения расход электроэнергии составляет 5…40 кВт/ч на1 м3.

Сущность работы свай и свайных фундаментов.

Сваей называется стержень, находящийся в грунте в вертикальном или наклонном положении и предназначенный для передачи грунту нагрузки от надфундаментной части сооружения.

Назначение свай - устройство фундаментов зданий, опор мостов, эстакад и т.д., укрепление слабых

грунтов, защита от воздействия грунтовых вод и обрушения грунта.

Одиночные сваи чаще всего используют в качестве опор для колонн. Кусты свай устраиваются в местах

больших сосредоточенных нагрузок (опоры, устои мостов и т.п.). Рядовое расположение свай предпочтительнее при необходимости возведения ленточных фундаментов, свайные поля – фундаментных плит.

Чтобы распределить нагрузки, по верху свай устраивают монолитные или сборно-монолитные железобетонные плиты - ростверки.

В зависимости от характера работы в грунте различают два основных типа свай: сваи-стойки и висячие сваи.

Сваи-стойки опираются на плотный, практически несжимае­мый грунт (например, скала или мергель), и несущая способность их не зависит от прочности окружающего грунта, так как он не принимает участия в работе. Поскольку нагрузка, прило­женная к голове сваи-стойки, воспринимается основанием только у ее нижнего конца, сваи-стойки имеют тенденцию деформиро­ваться под действием продольного изгиба.

Висячие сваи отличаются от свай-стоек тем, что передаваемая ими нагрузка воспринимается основанием как под острием сваи, так и на ее боковой поверхности. Сжимающее усилие постепенно уменьшается и у острия значительно меньше, чем у верхнего конца. Поэтому в висячей свае можно пренебречь влиянием продольного изгиба.

В общем виде свайный фундамент представляет собой погруженные в грунт сваи, объединенные сверху железобетонными бетонными балками или плитой ростверками.

Конструкции свайных фундаментов очень разнообразны и зависят:

от выбора типа свай,

способа их изготовления и погружения в грунт,

расположения их под строящимся зданием,

от характера работы сваи в грунте,

от конструкции ростверков.

Схема взаимодействия свай с грунтом. Определение несущей способности свай при действии вертикальной и горизонтальной нагрузок.

Расчет свайных фундаментов

 

Расчет свай на совместное действие вертикальных и горизонтальных нагрузок и моментов ( 10. должен выполняться в такой последовательности.

 

Расчет свай по деформации, заключающийся в проверке условия допустимости расчетных величин горизонтального перемещения головы сваиир и угла.

 

1 Расчетная схема при действии на сваю вертикальной и горизонтальной составляющих нагрузок и изгибающего момента (показаны положительные направления перемещений и усилий) при свободном (а) и жестком (б) закреплении свай в ростверке

 

Расчет устойчивости грунта основания, окружающего сваю.

 

Проверка сечения свай по сопротивлению материала по первой и второй группам предельных состояний в соответствии с главами СНиПа по проектированию бетонных и железобетонных или деревянных конструкций.

 

По первой группе предельных состояний расчет производят из условия обеспечения несущей способности ростверка, свай и грунта свайных фундаментов. Несущую способность грунта свайного фундамента проверяют по формуле (10. . Если в фундаменте имеется несколько свай, то учитывают их количество.

 

Общие положения. Расчет свайных фундаментов и их оснований выполняют по двум группам предельных состояний.

 

Последовательно суммируясь по высоте висячей сваи, силы трения вместе с усилием, возникающим под нижним концом сваи, передаются на грунты основания, находящиеся ниже плоскости, проходящей через ее острие. В расчетной схеме принимается, что вокруг сваи образуется напряженный массив грунта, ограниченный по боковой поверхности усеченным конусом или пирамидой в зависимости от формы поперечного сечения сваи, а под нижним концом сваи — выпуклой криволинейной поверхностью ( Ю.5, с).

 

По второй группе предельных состояний расчет выполняют только для фундаментов из висячих свай и свай-оболочек по условию (4. , ограничивающему развитие значительных деформаций. Свайные фундаменты, состоящие из свай-стоек, одиночные висячие сваи, доспринимающие вне кустов вдавливающие или выдергивающие нагрузки, а также свайные кусты, работающие на выдергивающие нагрузки, рассчитывать по деформациям не требуется.

 

Если деформативность сваи в кусте возрастает по сравнению с Деформативностью одиночной сваи, что отрицательно сказывается на работе свайного фундамента, то несущая способность сваи в кусте будет выше, чем несущая способность одиночной сваи, Что оказывает положительное влияние на эксплуатацию свайного фундамента. Последний факт объясняется увеличением сил трения по боковой поверхности свай, происходящим за счет уплотнения грунта вследствие забивки соседних свай, а также ограничения значительного развития зон пластических деформаций под нижним острием свай вследствие возникновения напряженного состояния от загружения соседних свай.

 

Теоретические, фактические и расчетные эпюры напряжений под подошвой жестких фундаментов (контактная задача).

Р ешения Буссинеску для круглого жёсткого штампа

Контактным называют давление по подошве фундамента

Для определения контактного напряжения совместно решается два уравнения:

Дифференциальное уравнение изогнутой оси балки;

Физическое уравнение связей между действующим давлением и осадкой.

E_бJ_б(d⁴s/dx⁴)=q_x­p_x;

где: E_бJ_б-жесткость балки

S – прогиб балки

Распределение напряжений на подошве фундамента (Контактная задача)

Этот вопрос имеет особое значение для гибких фундаментов, рассчитываемых на изгиб.

Если известно Рконт, то загружая этой величиной фундамент, можно легко определять усилия в конструкции тела фундамента.

Из курса сопротивления материалов известно, что напряжения для сжатых конструкций при прямолинейной эпюре определяются по обобщенной формуле:

max, min =(N/F) +-(M/W) - но здесь не учитывается работа сжимаемого основания.

Аналитическое решение по определению значений величин контактных напряжений, получено Буссинеску в виде зависимости:

Расчётная схема для решения задачи Буссинеску.

Анализируя аналитическую зависимость (см. приведённую выше формулу и схему), можно записать, что

При ρ = r → Рρ = ∞

При ρ = 0 → Рρ = 0,5Р_ср

и построить теоретическую эпюру контактных напряжений. Фактически же, грунт под подошвой фундамента, при давлениях, стремящихся к бесконечности (краевые точки) разрушаясь, приводит к перераспределению напряжений, возникает практическая эпюра (см. приведенную схему). Однако в данной методике также не учитываются свойства грунта основания.

П ри дальнейших исследованиях было установлено, что эпюра контактных напряжений под подошвой фундамента будет зависеть от его гибкости (Г) - обобщённой характеристики, учитывающей деформативные свойства основания.

Р = f(Г)

Понятие гибкости (Г) было введено профессором Горбуновым-Посадовым М.И.

Е₀ – модуль деформации грунта;

ℓ – полудлина фундамента (балки);

Е₁ – модуль упругости материала фундамента;

h₁ – высота фундамента.

Э пюры контактных напряжений под подошвой фундамента в зависимости от его гибкости. Крайняя правая схема на данном рисунке показывает, что для абсолютно жёстких фундаментов (Г=0), в целях аппроксимации, принята не фактическая седлообразная эпюра контактных напряжений, а прямоугольная (использование аппарата теории упругости к грунтам).

Ф орма эпюры контактных напряжений зависит и от ширины подошвы фундамента Р = f(b) и при прочих равных условиях (m_v – const; N – const) и может быть представлена на следующей схеме:

Эпюры контактных напряжений под подошвой фундамента в зависимости от его ширины.

Форма эпюры контактных давлений зависит и от степени нагружения фундамента Р = f (N) и при прочих равных условиях (m_v – const; F - const) может быть представлена на следующей схеме:

Эпюры контактных напряжений под подошвой фундамента в зависимости от степени нагружения.

Таким образом, приведённые примеры дают наглядную картину изменения величины и формы эпюры контактных напряжений в зависимости от поэтапного нагружения (увеличение веса сооружения в процессе его строительства), что значительно осложняет решение поставленной задачи.

Термическое и электрохимическое закрепление грунтов. Основные свойства закрепленных грунтов.

Закрепление грунтов — это искусственное преобразование строительных свойств грунтов, используемых в строительства, различными физико-химическими способами в условиях их естественного залегания.

Электрохимическое закрепление грунтов. Наиболее часто этот метод применяется для закрепления водонасыщенных глинистых грунтов в сочетании с электоосмосом. В этом методе через аноды в грунт подают водные растворы солей многовалентных металлов, которые соединяясь с глинистым грунтом коагулируют глинистые частицы. Создаются глинистые агрегаты, сцементированные между собой гелями солей железа и алюминия. При этом прочность грунтов существенно возрастает, резко снижается их способность к набуханию.

Термическое закрепление грунтов. Этот метод используется для устранения просадочных свойств макропористых лессовых грунтов. Глубина закрепляемой толщи достигает 20 м.

Сущность метода заключается в том, что через грунт в течение нескольких суток пропускают раскаленный воздух или раскаленный газ с температурой 750…850 ⁰С. Под действием высокой температуры отдельные минералы оплавляются. В результате этого образуются прочные водостойкие структурные связи между частицами и агрегатами грунта, что уменьшает или полностью ликвидирует просадочность, размокаемость и способность к набуханию.

Термическая обработка грунтов производится через специально пробуренные скважины диаметром 100…200 мм непрерывно в течение 5…12 суток.

В результате термической обработки в зависимости от технологической схемы получается либо упрочненный конусообразный массив грунта диаметром поверху 1,5…2,5 м, а понизу на глубине 8…10 м около 0,2…0,4 диаметра поверху, либо термосваю постоянного сечения диаметром 1,5…2,5 м. При этом прочность закрепленного грунта может достигать 10 МПа.

 

Искусственное преобразование грунтов предполагает увеличение их прочности, устойчивости, уменьшение водопроницаемости, сжимаемости, а также ослабление чувствительности природной прочности грунтов к изменению внешней среды, особенно влажности.

Требования, необходимые при проектировании фундаментов.

Фундаменты устраиваются для передачи нагрузок от конструкций зданий и сооружений, установленного в них технологического и другого оборудования и полезных нагрузок на грунты основания. Основание, воспринимая эти нагрузки, претерпевает, как правило, неравномерные деформации, что вызывает появление в конструкциях дополнительных перемещений и усилий.  Работы по устройству оснований и фундаментов без проекта производства работ не допускаются. Очередность и способы производства работ должны быть увязаны с работами по прокладке подземных инженерных коммуникаций, строительству подъездных дорог на стройплощадке и другими работами нулевого цикла. При устройстве оснований, фундаментов и подземных сооружений необходимость водопонижения, уплотнения и закреплении грунта, устройства ограждения котлована, замораживания грунта, возведения фундаментов методом «стена в грунте» и проведения других работ устанавливают проектом сооружения, а организацию работ - проектом организации строительства. При расчете жестких фундаментов принята линейная зависимость распределений напряжений под подошвой фундамента.  При расчете фундаментов конечной жесткости (гибких фундаментов- балок и плит) условная линейная эпюра распределения напряжений под подошвой гибкого фундамента не приемлема. В этом случае необходимо учитывать M и Q, возникающие в самой конструкции фундамента, вследствие действия неравномерных контактных реактивных напряжений по подошве фундамента. Не учет возникающих усилий может привести к неправильному выбору сечения фундамента или % его армирования. Поэтому необходимо решать задачу совместной работы фундаментной конструкции и сжимаемого основания. Таким образом, при расчете гибких фундаментов необходимо одновременно учитывать и деформации фундамента (конструкция) и его осадки (грунт).

На основании вышеизложенного можно сформулировать общие требования, предъявляемые в действующих нормативных документах к проектированию оснований и фундаментов:  обеспечение прочности и эксплуатационных параметров зданий и сооружений (общие и неравномерные деформации не должны превышать допустимых величин);  максимальное использование прочностных и деформационных свойств грунтов основания, а также прочности материала фундамента;  достижение минимальной стоимости, материалоемкости и трудоемкости, сокращение сроков строительства. Соблюдение этих положений основывается на выполнении указанных ниже условий:  комплексный учет при выборе типа оснований и фундаментов инженерно-геологических и гидрогеологических условий строительной площадки;  учет влияния конструктивных и технологических особенностей сооружения на его чувствительность к неравномерным осадкам;  оптимальный выбор методов выполнения работ по подготовке оснований, устройству фундаментов и подземной части сооружений;  расчет и проектирование оснований и фундаментов с учетом совместной работы системы «основание - фундаменты - конструкции сооружения». Таким образом, проектирование оснований и фундаментов состоит в выборе типа основания (естественное или искусственное), конструктивного решения (в том числе материала) и размеров фундаментов (глубина заложения, размеры площади подошвы и т. д.), а также определении мероприятий, применяемых для уменьшения влияния деформаций основания на эксплуатационную пригодность и долговечность сооружения.

У

Уплотнение и закрепление грунтовых оснований. Применение песчаных, грунтовых, песчано–гравийных подушек. Определение необходимости уплотнения, закрепления или замены грунта.

Методы уплотнения грунтов подразделяются на поверхностные, когда уплотняющие воздействия прикладываются на поверхности и приводят к уплотнению сравнительно небольшой толщи грунтов, и глубинные при передаче уплотняющих воздействий на значительные по глубине участки грунтового массива.

Поверхностное уплотнение производится укаткой, трамбованием, вибрационными механизмами, подводными взрывами, методом вытрамбования котлованов. К методам глубинного уплотнения относятся устройство песчаных, грунтовых и известковых свай, глубинное виброуплотнение, уплотнение статической пригрузкой в сочетании с устройством вертикального дренажа, водопонижение.

Уплотняемость грунтов, особенно глинистых в значительной степени зависит от их влажности и определяется максимальной плотностью скелета уплотненного грунта r_d,max и оптимальной влажностью W_O. Эти параметры находятся по методике стандартного уплотнения грунта при различной влажности 40-а ударами груза весом 215 Н, сбрасываемого с высоты 30 см. Оптимальную влажность глинистых грунтов, уплотняемых трамбованием, ориентировочно можно принимать равной W_O=W_р+(0,01…0,03), а укаткой W_O=W_р (где W_р - влажность на границе раскатывания). Поверхностное уплотнение глинистых грунтов может применяться при коэффициенте водонасыщенности S_r<0,7, песчаных и крупнообломочных при любой степени влажностьи.

За уплотненную зону h’_com принимают толщу грунта, в пределах которой плотность скелета грунта не ниже заданного в проекте или допустимого ее минимального значения.

Песчаные сваи применяются для уплотнения сильносжимаемых водонасыщенных глинистых грунтов, рыхлых песков, заторфованных грунтов на глубину 18…20 м.

В качестве материала свай используют крупные и средней крупности пески.

Песчаные сваи устраивают посредством погружения в слабый грунт пустотелых металлических труб диаметром 300…400 мм с инвентарным самораскрывающимся наконечником с помощью свайного молота или вибратора, поэтапным заполнением снизу-вверх образовавшейся полости песком с последующим уплотнением его методом «свая в сваю». Готовые сваи достигают в диаметре 600…700 мм.

Сваи размещают обычно в шахматном порядке.

Грунтовые сваи применяются для улучшения строительных свойств просадочных макропористых и насыпных глинистых грунтов при степени влажности S_r=0,3…0,7 на глубину до 20 м.

Метод заключается в устройстве вертикальной полости в основании, которая затем засыпается местным грунтом с послойным уплотнением. В результате образуется массив уплотненного грунта, характеризующийся повышенной прочностью и более низкой сжимаемостью. Устройство грунтовых свай в просадочных грунтах позволяет устранить их просадочные свойства.

Уплотнение оснований грунтовыми сваями производится двумя методами, отличающимися по способу устройства полости.

В первом методе в уплотняемом массиве пробивают ударным снарядом скважины. Диаметр скважины в зависимости от применяемого оборудования составляет от 0,4 до 1 м при диаметре зоны уплотнения 1,4…3,6 м.

Второй метод основан на использовании для глубинного уплотнения грунтов энергии взрыва. Заряд ВВ массой 5…12 кг размещают гирляндой в интервале глубин 3…12 м в пробуренных или пробитых скважинах диаметром 60…80 мм, располагаемых на расстоянии 4…10 м одна от другой. После взрыва заряда образуется вертикальная полость диаметром 500…600 мм.

Засыпка скважины выполняется местным лессовым или глинистым грунтом при влажности близкой к оптимальной. Грунт засыпается порциями по 0,25…0,3 м³ с послойным уплотнением трамбующим снарядом в виде параболоидного клина диаметром 280…320 мм и весом 3,5 кН, сбрасываемым с высоты 2,5…3 м. Грунт в скважине должен быть уплотнен до удельного веса нре менее 17,5 кН/м³.

Грунтовые сваи располагают в шахматном порядке в вершинах равнобедренных треугольников на расстоянии (между осями свай)

L=0,95×d×(r_d,com/(r_d,com-r_d)),

где d – диаметр грунтовой сваи;

r_d и r_d,com – соответственно значения плотности скелета естественного грунта основания.

Известковые сваи применяются для глубинного уплотнения водонасыщенных заторфованных или глинистых грунтов.

В толще пробуривают скважину диаметром 320…500 мм. Если грунт не сохраняет вертикальные стенки скважин, то используют ту же технологию, что и при устройстве песчаных свай. Скважины заполняют негашеной комовой известью. Известь засыпают таким образом, чтобы при извлечении обсадной трубы толщина слоя извести в нижней части трубы составляла не менее 1 м и уплотняют трамбовкой 3…4 кН.

Уплотнение грунтов при применении известковых свай происходит в основном в результате того, что негашеная комовая известь при взаимодействии с поровой водой гасится и в процессе гашения увеличивается в объеме, что приводит к увеличению диаметра сваи на 60…80%. Кроме того, при гашении извести происходит большое выделение тепла и температура тела сваи достигает 300 ⁰C. При этом происходит частичное испарение поровой воды, в результате чего уменьшается влажность грунта и ускоряется уплотнение.

При взаимодействии негашеной комовой извести с грунтом происходит также физико-химическое закрепление грунта в зонах, примыкающих к поверхности сваи, и увеличиваются прочностные и деформационные характеристики грунтов. Обычно после устройства известковых свай по поверхности отсыпают слой из местного грунта толщиной 2…3 м, уплотняемый тяжелыми трамбовками.

Уплотнение известковыми сваями относится к одному из самых дешевых способов улучшения свойств слабых водонасыщенных оснований.

Уплотнение укаткой. Этот метод применяется при послойном возведении грунтовых подушек, планировочных насыпей, земляных сооружений, при подсыпке оснований под полы. Уплотнение укаткой производится самоходными и прицепными катками на пневматическом ходу, гружеными скреперами, автомашинами, тракторами, а для уплотнения несвязных грунтов исполтьзуются виброкатки и самопередвигающиенся вибромашины. Уплотнение достигается многократной проходкой уплотняющих механизмов (от 6 до 12 раз).

Уплотнение трамбующими машинами. Этот способ применяют для уплотнения грунтов в стесненных условиях – при устройстве обратных засыпок котлованов, траншей, засыпок пазух, щелей с использованием самоходных трамбующих машин и самопередвигающихся механизмов ударного и виброударного действия.

Уплотнение тяжелыми трамбовками. Уплотнение производится свободным сбрасыванием с помощью крана-экскаватора с высоты 5…10 м трамбовок диаметром 1,2…3,5 м и весом 25…150 кН. Имеется опыт применения сверхтяжелых трамбовок весом более 400 кН, сбрасываемых с высоты до 40 м. Уплотнение производится до определенной степени плотности, выражаемой коэффициентом уплотнения – отношением заданного значения плотности скелета к его максимальному значению k_com=r_d,com/r_d,max. При

этом k_com обычно принимают в пределах 0,92…0,98.

Упругие и остаточные деформации. Структурная прочность. Накопление остаточных деформаций при повторном нагружении. Структурно – неустойчивые грунты и причины разрушения их структуры.

Деформация — изменение относительного положения частиц тела, связанное с их перемещением.  Деформации разделяют на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия приложенных сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов металлов от положения равновесия; в основе пластических — необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия. Чаще всего грунты природного сложения уплотнены давлением вышележащих слоев. В некоторых же случаях уплотнение происходит под действием капиллярного давления, развивающегося при высыхании грунта, или вследствие понижения уровня подземных вод. В результате уплотнения частицы грунта сблизились и между ними образовались водно-коллоидные связи. В процессе длительного существования грунтов при определенных условиях в них дополнительно могли возникнуть хрупкие кристаллизационные связи. Суммарно эти связи придают грунту некоторую прочность, которую называют структурной прочностью грунта. Структурно неустойчивые грунты – это грунты, у которых при наличии внешних воздействий достаточно резко нарушается природная структура. К ним относятся следующие грунты: лёссовые; рыхлые пески; илы; мёрзлые и вечномёрзлые; набухающие; заторфованные. При всем различии условий природного образования и последующего изменения этим грунтам свойственна общая особенность  -  способность к резкому снижению прочности структурных связей между частицами при некоторых обычных для строительства и эксплуатации сооружений воздействиях: при нагревании  -  для одних, увлажнении  -  для других, быстром нагружении или вибрационном воздействии  -  для третьих типов грунтов. Причины указанных процессов заключаются в том, что структурные связи в этих грунтах обусловлены легко поддающимися разрушению при определенных воздействиях факторами. Поэтому такие грунты часто называют структурно-неустойчивыми грунтами. 

Устройство искусственных оснований с помощью энергии взрыва. Гидровзрывной способ уплотнения грунтов.

При уплотнении предварительным замачиванием и замачиванием с глубинными взрывами - план разбивки уплотняемой площадки на отдельные участки (карты) с указанием их глубины и очередности замачивания, расположение и конструкции поверхностных и глубинных марок, схему сети водовода, данные по среднесуточному расходу воды на 1 кв.м уплотняемой площадки и времени замачивания каждого котлована или участка (карты), величину условной стабилизации просадки, а в случае замачивания через скважины, дополнительно - план расположения скважин с указанием их глубины, диаметра, способа проходки и вида дренирующего материала для засыпки, способы уплотнения верхнего недоуплотненного (буферного) слоя грунта. При уплотнении просадочных грунтов замачиванием и глубинными взрывами дополнительно должна быть приведена технология взрывных работ с указанием противосейсмических мероприятий и техники безопасности производства взрывных работ; Уплотнение просадочных грунтов замачиванием и энергией взрыва следует выполнять с соблюдением требований: а) замачивание необходимо выполнять через дно котлована, дренажные, взрывные или совмещенные скважины, заполненные дренирующим материалом, и продолжать до промачивания всей просадочной толщи до проектной влажности; б) по окончании замачивания и после производства взрывных работ следует проводить наблюдения за осадкой поверхностных и глубинных марок. Нивелирование после взрыва зарядов ВВ надлежит производить в течение последующих 15-20 сут.; в) глубину котлована или распределительных траншей, отрываемых за счет срезки грунта, следует назначать из условия сохранения слоя воды при замачивании 0,3-0,5 м. В зимнее время уровень воды в котловане и траншеях следует поддерживать на одной отметке; г) в необходимых случаях, когда уплотнение грунта производится на больших площадях, допускается предусматривать устройство песчано-гравийных подушек, позволяющих ускорить начало строительно-монтажных работ на уплотненном участке; д) разрыв между окончанием замачивания и взрывами зарядов ВВ, в зависимости от размеров площадки, должен составлять не более 3-8 ч. После предварительного замачивания оснований и замачивания с глубинными взрывами зарядов ВВ следует производить уплотнение верхнего слоя грунта.

Устройство оснований с помощью втрамбованных подушек. Вытрамбованные котлованы

Вытрамбовывание котлованов. Метод заключается в образовании в грунтовом массиве полости путем сбрасывания в одно и тоже место трамбовки 15…100 кН, имеющей форму будущего ф. с высоты 3…8 м в одно место. Затем полость заполняется бетонной смесью.

Метод эффективен тем, что при вытрамбовывании полости грунт вокруг нее уплотняется, увеличивается несущая способность основания и снижается деформируемость, а сооружение монолитной конструкции ф. не требует применения опалубки.

Минимальное расстояние между ф. в свету – не менее 0,8 их ширины по верху.

Ф. в вытрамбованных котлованах применяются в каркасных зданиях с нагрузкой на колонну до 2000 кН, бескаркасных с нагрузкой до 500 кН/м.

Уплотнение трамбующими машинами. Этот способ применяют для уплотнения грунтов в стесненных условиях – при устройстве обратных засыпок котлованов, траншей, засыпок пазух, щелей с использованием самоходных трамбующих машин и самопередвигающихся механизмов ударного и виброударного действия.

Уплотнение тяжелыми трамбовками. Уплотнение производится свободным сбрасыванием с помощью крана-экскаватора с высоты 5…10 м трамбовок диаметром 1,2…3,5 м и весом 25…150 кН. Имеется опыт применения сверхтяжелых трамбовок весом более 400 кН, сбрасываемых с высоты до 40 м. Уплотнение производится до определенной степени плотности, выражаемой коэффициентом уплотнения – отношением заданного значения плотности скелета к его максимальному значению k_com=r_d,com/r_d,max. При этом k_com обычно принимают в пределах 0,92…0,98.

Наибольшая глубина уплотнения h’_com достигается при оптимальной влажности грунта W_O и приближенно оценивается по соотношению

h’_com=k_c×d,

где h’_com=k_c×d – диаметр основания трамбовки;

k_c – коэффициент принимаемый для супесей и суглинков 1,8, для глин – 1,5.

Устройство песчаных и гравийных подушек в основании и определение их размеров.

Проектные решения должны содержать:

 при устройстве грунтовых подушек - планы и разрезы котлованов, физико-механические характеристики отсыпаемого грунта, указания по толщине отсыпаемых споев, рекомендуемым машинам для уплотнения грунта и режимам работы, а также плотность сухого грунта в подушках;

Устройство грунтовых подушек следует производить с соблюдением следующих требований:

а) грунт для устройства грунтовой подушки должен уплотняться при оптимальной влажности в соответствии с требованиями п. 4.5;

б) отсыпку каждого последующего слоя надлежит производить только после проверки качества уплотнения и получения проектной плотности по предыдущему слою;

в) устройство грунтовых подушек в зимнее время допускается из талых грунтов с содержанием мерзлых комьев размером не более 15 см и не более 15 % общего объема при среднесуточной температуре воздуха не ниже минус 10 °С. В случае понижения температуры или перерывов в работе подготовленные, но не уплотненные участки котлована должны укрываться теплоизоляционными материалами или рыхлым сухим грунтом.

Отсыпка грунта на промороженный слой допускается как исключение при толщине мерзлого слоя не более0,4 м, когда влажность отсыпаемого грунта не превышает 0,9 влажности на границе раскатывания; в противном случав промороженный грунт должен быть удален.

Учёт инженерно – геологических и климатических условий, особенностей сооружения и метолов производства работ при назначении предельных деформаций.

За последние годы наблюдается неуклонное увеличение объема строительства в сложных ИГУ. Все чаще для строительства используются площадки, сложенные слабыми грунтами – иглами, рыхлыми песками, заторфованными отложениями. Особую проблему составляют т.н. региональные грунты, обладающие специфическими свойствами это: - вечномерзлые грунты; - лессовые просадочные грунты; - набухающие; - засоленные грунты; - озерно-ледниковые отложения Давайте краток рассмотрим их специфические свойства: Особое место занимают насыпные грунты – это толщи разнородных отложений, сформировавшееся в результате техногенной деятельности человека, а также создаваемые целенаправленно отсыпкой или намывом. Насыпные грунты очень разнообразны и использовать их в качестве основания следует с очень большой осторожностью.

• Многие их этих (указанных) грунтов в природном состоянии имеют невысокую несущую способность и повышенную сжимаемость. Для других характерно существенное ухудшение механических свойств при определенных воздействиях (например, замачивание лессовых грунтов под нагрузкой, оттаивание мерзлых грунтов, рассоление засоленных грунтов и т.д.)

  • Недооценка этих явлений может привести к значительным деформациям основания к его просадкам и даже к потере устойчивости основания.

Учет этих явлений подразумевает улучшение строительных свойств таких грунтов многочисленными способами направленного воздействия. → ^ Меры преобразования строительных свойств основания можно разделить на три группы: 1. – Конструктивные методы, которые не улучшают свойства самих грунтов, а создают более благоприятные условия работы их как оснований за счет регулирования напряженного состояния и условий деформирования, когда их отрицательные свойства не могут проявиться; 2. – ^ Уплотнение грунтов, осуществляется различными способами и направлено на уменьшение пористости грунтов, создание более плотной упаковки минеральных агрегатов; 3. – Закрепление грунтов, заключающееся в образовании прочных искусственных структурных связей между минеральными частицами.

• Выбор метода преобразования структурных свойств грунтов зависит от:

- типа грунта (его физических свойств); - характеристика напластований; - особенности будущего сооружения, т.е. интенсивности передаваемых им нагрузок; - решаемых инженерных задач; - технологических возможностей строительной организации. * ^ Специфические свойства региональных грунтов

1. Илы: образовались в результате выпадения в осадок мельчайших частиц породы. Илистые грунты всегда находятся в водонасыщенном состоянии

S_r1.0 В таком грунте имеются (преобладают) водно- – коллоидные связи; – кристализационные связи; 2. Лессовый грунт: это тот же ил, но в высушенном состоянии (просадочные грунты). Рыхлая структура – теже структурные связи, но нет воды. 3. ^ Вечномерзлый грунт, свойства этих грунтов существенно зависят от их температуры. При ее увеличении, т.е. оттаивании, также грунты дают (также как лесс) мгновенную просадку, а при промораживании наблюдается морозное пучение строительство на таких гуртах ведется специальными методами: - либо сохранение весной мерзлоты; - либо специального оттаивания и уплотнения - либо применение специаьных схем зданий не боящихся осадок; 4. ^ Заторфованные грунты – грунты, содержащие от 30 до 60 % органический веществ, эти грунты обладают малой прочностью, и большой а главное неравномерной сжимаемостью. В погребенном торфе можно строить, но не в коем случае не дорывать до торфа (гниение) и проверяется несущая способность (подстилающий торфяной слой) 5. ^ Набухающие глины – увеличивают свой объем при замачивании. 6. Засоленные грунты - при засолении резко снижают свою прочность и увеличивают сжимаемость (в местах где возникает постоянная фильтрация воды следует вымывание соли) 7. ^ Озерно-ледниковые отложения (ленточные глины) Исторический процесс их образования выглядит следующим образом: водный поток несет крупные частицы и они выпадают в осадок. Вода останавливается и выпадают мелкие частицы и т.д. глинистые прослойки водонасыщенны за счет такой структуры (глинистых прослоек) они очень хорошо пропускают воду в горизонтальном направлении, а в вертикальном k_ф достаточно мал. Если ленточные глины перемять, то они переходят в текуче- пластичное состояние, за счет освобождения воды из глинистых прослоек.

Учёт совместной работы основания, фундамента и надфундаментной конструкции. Предельные деформации оснований.

Подземная часть здания и сооружения представляет собой две взаимосвязанные системы «фундамент» - «грунтовое основание», зависящие от конструктивных особенностей надземного сооружения. Фундаменты устраиваются для передачи нагрузок от конструкций зданий и сооружений, установленного в них технологического и другого оборудования и полезных нагрузок на грунты основания. Основание, воспринимая эти нагрузки, претерпевает, как правило, неравномерные деформации, что вызывает появление в конструкциях дополнительных перемещений и усилий. Неправильное проектирование, подготовка оснований и возведение фундаментов могут привести к тому, что даже выполненная согласно проекту конструкция сооружения перестанет удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям. Одной из характерных особенностей неправильного возведения фундаментов является то, что его отрицательное действие проявляется после накопления грунтами основания достаточных деформаций, то есть, как правило, в период эксплуатации сооружения. Известны случаи, когда уже построенные и заселенные здания из-за развития чрезмерных деформаций приходилось срочно подвергать сложным ремонтно-восстановительным работам, а нередко и полностью или частично разбирать. Таким образом, ошибки, допущенные при проектировании и возведении фундаментов, или стремление к неоправданной экономии ресурсов могут потребовать проведения дополнительных мероприятий, стоимость которых во много раз превысит стоимость фундаментов. Можно сформулировать общие требования, предъявляемые в действующих нормативных документах к проектированию оснований и фундаментов:  обеспечение прочности и эксплуатационных параметров зданий и сооружений (общие и неравномерные деформации не должны превышать допустимых величин);  максимальное использование прочностных и деформационных свойств грунтов основания, а также прочности материала фундамента;  достижение минимальной стоимости, материалоемкости и трудоемкости, сокращение сроков строительства. Соблюдение этих положений основывается на выполнении указанных ниже условий:  комплексный учет при выборе типа оснований и фундаментов инженерно-геологических и гидрогеологических условий строительной площадки;  учет влияния конструктивных и технологических особенностей сооружения на его чувствительность к неравномерным осадкам;  оптимальный выбор методов выполнения работ по подготовке оснований, устройству фундаментов и подземной части сооружений;  расчет и проектирование оснований и фундаментов с учетом совместной работы системы «основание - фундаменты - конструкции сооружения».

Совместная деформация основания и сооружения может характеризоваться:

осадкой (подъемом) основания фундамента s;

средней осадкой основания фундамента I;

относительной разностью осадок (подъемов) основания двух фундаментов As/L (L — расстояние между фундаментами);

креном фундамента (сооружения) i;

относительным прогибом или выгибом f/L (L — длина однозначно изгибаемого участка сооружения);

кривизной изгибаемого участка сооружения;

относительным углом закручивания сооружения;

горизонтальным перемещением фундамента (сооружения) Uh.

Ф

Фазы напряженного состояния грунта при беспрерывном возрастании нагрузок (зависимость S=f(p))

Предельное напряжённое состояние оснований

Фазы напряженного состояния грунта

Рассмотрим типичный график развития осадки фундамента по мере его нагружения статической нагрузкой (см. схему).

1 фаза-линейного деформирования, При увеличении нагрузки осадка происходит линейно.

2 фаза-фаза сдвигов, 3 фаза-пластического течения

Фазы напряженного состояния. Первая фаза напряженного состояния грунта носит название фазы уплотнения. В строительном отношении такое состояние грунта будет полезным, так как грунт в фазе уплотнения приобретает более плотную структуру и будет давать меньшие осадки.

При уплотнении зависимость между общими деформациями и удельным давлением (сжимающим напряжением) с достаточной для практических целей точностью может быть принята линейной.

Уплотнение грунта под нагрузкой может продолжаться еще при нескольких ступенях нагрузки, однако при достижении ее некото­рой величины возникает все больше скольжений (сдвигов) между частицами грунта, так как в отдельных местах сопротивлении сдвигу преодолеваются и скольжение между частицами постепенно формируются в отдельные площадки скольжения и зоны сдвигов. Конец фазы уплотнения и начало образования зон сдвигов, возникающих первоначально у краев площади загрузки, где сдвигающие напряжения наи­большие, являются характернейшими показателями механических свойств грунтов и соответствуют начальной критической нагрузке на грунт в данных условиях загружения. При дальнейшем увеличении нагрузки наступает вторая фа­за— фаза сдвигов, переходящая в пластическое или прогрессирующее течение, выпирание, просадку и подобные недопустимые деформации.

График развития осадки фундамента в зависимости от его степени нагружения.

По мере нагружения основания статической нагрузкой, развитие осадки происходит неравномерно. При давлениях Р < Р_н.кр. деформирование основания происходит линейно - I фаза – фаза уплотнения грунтов;

При давлениях Р_н.кр. < Р < Р_пр. деформирование основания происходит не линейно - II фаза – фаза сдвигов (фаза развития пластических деформаций).

-Р_н.кр. – начальная критическая нагрузка;

-Р_пр. – предельное давление на основание.

Физические свойства нескальных и скальных грунтов и методы их определения.

Скальные грунты представляют собой сцементированные и спаянные породы, залегающие в виде сплошного массива или трещиноватого слоя. Они характеризуются высоким пределом прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии, а также — растворимостью и размягчаемостью в воде. Скальные грунты прочны, практически не сжимаются и не промерзают. Нескальные грунты в пределах РК имеют много разновидностей, отличающихся между собой широким диапазоном физических свойств. ФИЗ-ИЕ свойства: Грунты состоят из твердых минеральных частиц («скелет» грунта), воды и воздуха и, таким образом, представляют собой (при положительной температуре) трехфазную систему. Основными характеристиками физических свойств грунтов служат: гранулометрический состав, удельный вес грунта природного сложения, удельный вес частиц грунта, влажность, границы раскатывания и текучести. Гранулометрический состав характеризует содержание по массе групп частиц (фракций) грунта различной крупности по отношению к общей массе абсолютно сухого грунта. В зависимости от содержания в грунте частиц разных размеров определяют степень неоднородности гранулометрического состава.Степень неоднородности гранулометрического состава не может быть меньше единицы и практически не бывает больше 200. Удельным весом грунта природного сложения у называют отношение массы грунта, включая массу воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему, включая поры, умноженное на ускорение свободного падения g, равное 9,81 м/с². Пластичность   и   консистенция   глинистых   грунтов. Изменение влажности оказывает большое влияние на свойства глинистых грунтов, которые при этом могут переходить из твердого состояния в полутвердое, затем в пластичное и, наконец, в текучее или  наоборот. Если образцу маловлажного глинистого грунта попытаться путем раскатывания придать форму проволоки, то он будет крошиться.

Фильтрация воды в грунтах, понятие о начальном градиенте напора. Капиллярные явления. Фильтрация воды в грунтах представляет собой сложный процесс. Поры в разнозернистом грунте образуют извилистые каналы переменного сечения, соединяющиеся между собой в различных направлениях. Следовательно, и траектории движения воды в этих каналах будут крайне сложными. В пылевато-глинистых грунтах пленки связанной воды, окружающие глинистые частицы и связанные с ними силами электростатического притяжения, могут образовывать пробки, перекрывающие поровые каналы в не которых сечениях и затрудняющие движение свободной воды. Действительная скорость движения воды в разных сечениях грунта может быть различной и, строго говоря, будет неопределенной, поэтому математическое описание фильтрации воды в грунте связано со схематизацией этого процесса и основывается на результатах экспериментов.  Начальный градиент напора. Многочисленные опыты по фильтрации воды в песчаных грунтах подтверждают полную справедливость закона Дарси. Так, в глинистых грунтах, особенно плотных, при относительно небольших значениях градиента напора фильтрации может не возникать. Увеличение градиента приводит к постепенному, очень медленному развитию фильтрации. Наконец, при некоторых значениях гидравлического градиента устанавливается постоянный режим фильтрации. Понятие начального градиента напора впервые установлено опытами Б. Ф. Рельтова и С. А. Роза и связывается обычно с проявлением особых свойств воды в глинистых грунтах, отмеченных в начале настоящего параграфа.  Капиллярность — физическое явление, заключающееся в способности жидкостей изменять уровень в трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах.Капиллярные явления: под каппилярным движением воды или водоподъемной способностью грунтов следует понимать их способность перемещать воду по капиллярным порам снизу вверх или в стороны. Передвижение воды в грунтах под суммарным действием капиллярных сил и сил впитания пленочной влаги, играет большую роль в накоплении влаги в грунте.

Фундаменты на лессовых просадочных грунтах. Расчет просадочных деформаций