книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

И) сыпучемерзлых грунтах используют методы, применяемые для немерзлых грунтов (см. гл. 7). Характеристики сжимаемости опреде­ ляются при максимальной расчетной температуре грунта. При про­ ектировании отапливаемых зданий предусматривают мероприятия по искусственному понижению температуры пластичномерзлых гру­ нтов либо проектируют основания и фундаменты по принципу II.

Основные положения расчета фундаментов, возводимых без со­ хранения вечномерзлого состояния грунтов. Поскольку оттаявшие грунты обладают большей сжимаемостью, чем мерзлые грунты, основным расчетом при проектировании сооружений, возводимых по принципу II, является расчет по деформациям (вторая группа предельных состояний).

Использование предварительного оттаивания вечномерзлых грунтов и при необходимости их уплотнение позволяют создать искусственное немерзлое основание с заданными строительными свойствами. Проектирование таких оснований и возводимых на них фундаментов ведут согласно правилам и методикам, применяемым для немерзлых оснований. Естественно, что при этом должно быть исключено развитие чаши протаивания в процессе эксплуатации сооружения.

Наиболее сложным является случай, когда о т т аивание основа­ ний происходит после возведения зданий и сооружений. В этих условиях расчет по деформациям должен производиться в пределах глубины оттаивания грунтов за заданный срок эксплуатации соору­

401

Общая осадка s фундамента на оттаивающем основании склады­ вается из осадки sp, обусловленной дополнительным давлением на грунт от фундамента, и осадки sth, вызываемой действием собствен­

ного веса оттаивающего грунта, т. е.

Составляющая осадки sp обычно определяется по схеме основа­ ния в виде линейно деформируемого слоя, мощность которого зависит от расчетной глубины оттаивания, с использованием коэф­ фициента сжимаемости 8 оттаивающего грунта. Для вычисления составляющей осадки % применяется следующая формула, вытека­

где Ath, i и Si — соответственно коэффициенты оттаивания и сжима­

емости /-го слоя; агь ,• — вертикальное напряжение от собственного

веса грунта в середине г-го слоя; ht — толщина г-го слоя отта­ ивающего грунта, т. е. производится суммирование осадок п элеме­ нтарных слоев в пределах расчетной глубины оттаивания.

Крен фундаментов на оттаивающем основании определяется по формуле (рис. 15.5)

где и Да — осадки краев фундамента; b — ширина фундамента. При прорезке слоя оттаивающих грунтов сваями и их опирании

на скальные или вечномерзлые грунты несущую способность свай определяют как для свай-стоек. Особенностью расчета является то, что по части поверхности свай, расположенной в пределах отта­ ивающей толщи, за счет ее просадки могут возникнуть силы от­ рицательного трения. С учетом этого расчет свай-стоек по несущей

где F — расчетная нагрузка на сваю; Fu— несущая способность сваи; %— коэффициент условий работы, принимаемый согласно СНиП 2.02.03 — 85; у,, — то же, в пределах зоны оттаивания (ур= 1 для бурозабивных и буроопускных свай с цементнопесчаным запол­ нителем пазух и ур=0,7 для буроопускных свай с пылеэвато-глинис- тым заполнителем пазух); Fmg— отрицательная сила трения:

П

Fneg=Up 'jijfn, ih{, (15.10) f=l

402

где Up— периметр сваи;/„, ,■— отрицательное трение нго слоя отта­

ивающего грунта, принимаемое по табл. 11.2; А,-— толщина f-rq

попеременно будет находиться в талом и мерзлом состоянии. М о­ розное пучение связано с увеличением объема влажного грунта при промерзании. В зимний период грунт, окружающий фундамент или сваю, смерзается с боковой поверхностью и в результате луче­ ния стремится увлечь фундамент вверх. Если усилия, противодейст­ вующие силам морозного пучения, недостаточны, фундамент вме­ сте с сооружением может подняться на некоторую высоту. В летний период произойдет оттаивание грунта деятельного слоя, сопровож­ дающееся осадкой фундамента. В результате циклического сезон­ ного промерзания и оттаивания через несколько лет такой фун­ дамент может быть «выпучен» из грунта на десятки сантиметров. Недоучет этого фактора явился причиной аварий многих, особенно малонагруженных, сооружений в районах вечной мерзлоты.

Чтобы предотвратить подобные последствия, выполняются спе­ циальные расчеты фундаментов на действие сил морозного пучения. Основная расчетная зависимость имеет вид

Уп

где тй — расчетная удельная касательная сила пучения; Ал — пло­

щадь боковой поверхности смерзания фундамента в промерза­ ющей— оттаивающей толще мощностью Ай," F — расчетная на­

403

жений II и Ш классов — по таблице, приведенной в Нормах. Силы пучения можно понизить до 30%, если нанести на поверх­ ность бетона полимерную пленку или покрыть ее консистентной смазкой. Площадь боковой поверхности смерзания А(и может

быть принята равной где и,и — периметр сечения смер­

зания.

Сила Fr, удерживающая фундамент от выпучивания, находится в зависимости от принципа использования основания. При проек­ тировании по принципу I сила ^складывается из двух компонент: силы смерзания материала фундамента с грунтом на высоте фун­ даментной подушки haf и силы по периметру вышележащей грун­

товой призмы высотой hs), (рис. 15.6, а). Тогда

где u — периметр сечения сдвига; R^ и Rsh принимаются согласно

рекомендациям СНиП 2.02.04 — 88.

При расчете свайных фундаментов на действие сил морозного пучения второй член в формуле (15.12) отсутствует (рис. 15.6, б).

При расчете фундаментов, возводимых по принципу II, сила Fr

г д е /— расчетное сопротивление талого грунта сдвигу по поверх­ ности фундамента, принимаемое по табл. 11.2; h — мощность слоя талого грунта, соприкасающегося с нижней ступенью фундамента или сваей.

Для неоднородных по глубине напластований в формулах (15.12)...(15.13) выполняется послойное суммирование.

Устойчивость на действие сил пучения проверяют как для по­ строенного сооружения при полной нагрузке на фундаменты, так и для незавершенного строительства, если предполагается, что фун­ даменты не будут полностью нагружены к моменту начала промер­ зания грунта. Может оказаться,, что в последнем случае устой­ чивость фундаментов будет недостаточной и потребуется защита грунта от промерзания.

Конструкции и методы устройства фундаментов, возводимых но принципу I. Применение фундаментов мелкого заложения в этом случае не всегда оправдано по технологическим и экономическим соображениям. Наиболее часто такой тип фундаментов применяет­ ся при использовании в качестве оснований грунтовых подсыпок и по своим конструктивным решениям не отличается от фундамен­ тов, возводимых на немерзлых грунтах. Прорезка оттаивающего слоя с заглублением фундамента в вечномерзлые грунты практику­ ется редко из-за ее трудоемкости. Кроме того, возникают сложно-

404

ние свай в условиях твердомерзлых грунтов и особенно мерзлых скальных оснований требует специальных способов их устройства.

Буроопускные сваи (рис. 15.7, а) применяют в любых грун­ товых условиях при температуре грунта ниже —0,5° С. Сначала в основании пробуривают скважины диаметром, на 5...10 см превы­ шающим поперечный размер сваи. Затем скважины заполняют грунтовым раствором, после чего погружают в них сваи. После замерзания грунтового раствора свая оказывается надежно защем­ ленной в вечномерзлом грунте.

Бурозабивны е сваи (рис. 15.7, 6) устраивают забивкой свай

впредварительно пробуренные лидерные скважины, имеющие диа­ метр, несколько меньший размера свай. Такие сваи эффективны

впластичномерзлых грунтах, не содержащих крупнообломочных включений.

Опускные сваи (рис. 15.7, в) изготовляют методом вморажива­ ния и применяют в твердомерзлых грунтах q содержанием крупно­ обломочных включений не более 15% при температуре грунта ниже —1,5° С. Суть метода заключается в том, что сначала производится локальное оттаивание грунта паровой иглой, а затем в оттаявший грунт погружается забивная свая. После промерзания грунта вокруг сваи она оказывается вмороженной в грунт.

Сопряжение несущих конструкций со сваями обычно осуществ­ ляется с помощью высоких ростверков или специальных свайных оголовков. Иногда совмещают сваю со стойкой каркаса в одну конструкцию — сваю -колонну.

Конструкции и метода! устройства фундаментов, возводимых по принципу П, практически не отличаются от применяемых на немерз­

лых основаниях.

Мероприятия по борьбе с-морозным пучением. Уменьшение влия­

405

ния сил морозного Пучения может быть достигнуто различными способами. Применяемый иногда комплекс мер по регулированию температурно-влажностного режима включает осушение грунтов с помощью дренажа, отвод поверхностных вод и понижение уровня подземных вод, а также утепление грунтов около фундаментов. Для уменьшениякасательных сил пучения фундаменты в пределах деятель­ ного слоя покрывают незамерзающими обмазками на основе битума или эпоксидной смолы. Можно применять противопучинистые засып­ ки из сухого гравия, гальки, шлака или засоленной глины, имеющей пониженную температуру замерзания. Конструктивным мероприяти­ ем ярЛяется заанкеривание фундаментов в вечномерзлый грунт, что достигается увеличением глубины заложения. При этом должна быть проверена прочность фундамента на разрыв от действия сил пучения.

В заключение отметим, что разработанные отечественными спе­ циалистами методы устойчивого строительства на вечномерзлых грунтах позволяют успешно возводить современные здания и со­ оружения различного назначения в районах с суровыми климатичес­ кими условиями. В то же время пренебрежение особыми свойствами мерзлых грунтов и методами строительства на них является основ­ ной причиной недопустимых деформаций и аварий зданий и соору­ жений в северной климатической зоне.

15.3. Фундаменты на лёссовых просадочных грунтах

Трудность строительства сооружений на лессовых Просадочных грунтах состоит в том, что после окончания строительства, когда осадка фундаментов стабилизируется, или после ряда лет эксплу­ атации сооружений при обводнении грунтов в основании проис­ ходят большие и часто неравномерные деформации, называемые просадками. В отдельных случаях просадки достигают 0,5...1,0 м и более. При этом здания и сооружения испытывают чрезмерные деформации, в результате чего разрушаются конструкции и соору­ жения становятся непригодными для дальнейшей эксплуатации.

Просадки дессовых грунтов возникают при одновременном воз­ действии двух факторов: нагрузок от сооружений и собственного веса грунтовой просадочной толщи и замачивания при подъеме горизонта подземных вод или за счет внешних источников (атмос­ ферные осадки, промышленные сбросы, утечки и т. п.).

В условиях естественного залегания лессовые грунты обычно имеют влажность 0,08—0,16 при степени влажности £,.<0,5 и прояв­ ляют просадочные свойства только при достижении влажностью некоторого предела w* называемого начальной просадочной

влаж ностью . Просадочностырунтов часто оценивается п оказа­ телем просадочности П:

406

где е — коэффициент пористости грунта природного сложения и влажности; eL— коэффициент пористости, соответствующий вла­ жности на границе текучести wL и определяемый по формуле

где р3и pw— соответственно плотности твердых частиц и воды.

К просадочным относятся лессы и лессовидные грунты, для которых при числе пластичности 0,01^7Р<0,1; 0,1^/р<0,14 и 0,14</р<0,22 показатель просадочности П соответственно мень­ ше ОД; 0,17 и 0,24. Следует отметить, что показатель просадочности является номенклатурным признаком и лишь определяет склон­ ность грунта к просадкам, не позволяя достоверно дать величину возможной просадочности грунта.

Явление просадки можно наглядно проследить на примере дефо­ рмаций лессового основания под фундаментом (рис. 15.8). Участок аб кривой, практически прямолинейный, представляет зависимость осадки от давления под подошвой фундамента. Наклон графика характеризует сжимаемость лессового грунта при естественной вла­ жности. Участок бв соответствует полной просадке грунта под на­ грузкой после замачивания. Важно отметить, что если увеличение осадки связано с ростом нагрузки, то просадка развивается при постоянной нагрузке. Из приведенного примера следует, что полная деформация просадочного основания s' равна сумме осадки s при естественной влажности грунта и просадки s3i грунта при его зама­

Величину осадки s находят теми же методами, что и для непросадочных грунтов. Определение же просадки s3i представляет зада­

чу, для решения которой применяются специальные способы, ис-

407

пользующие экспериментальные данные о просадочных свойствах грунтов.

Характеристики просадочных свойств. К числу основных харак­ теристик относятся относительная просадочность г^, начальное

просадочное давление pd, начальная просадочная влажность wsi.

О тносительная просадочность определяется по результа­ там испытаний грунтов в компрессионных приборах. Одним из методов испытаний является уплотнение грунта в компрессионном приборе при различных величинах уплотняющих давлений р с по­ следующим замачиванием образцов и измерением величины про­ садки. На рис. 15.9, а приведена характерная кривая изменения высоты исследуемого образца грунта в процессе одного испытания. На участке аб происходит осадка образца за счет роста давления р от 0 до заданной величины, при которой производится замачива­ ние грунта. Вертикальный участок бв соответствует просадке замо­ ченного образца при постоянном давлении, участок вг — осадке водонасыщенного грунта при дальнейшем росте давления после стабилизации просадки. Графики на рис. 15.8 и 15.9, а качественно согласуются друг с другом.

Относительная просадочность представляет собой относитель­ ное сжатие грунта при заданных давлениях и степени повышения влажности и определяется из результатов испытаний по формуле

где hg— высота образца грунта природной влажности, обжатого давлением, равным давлению от собственного веса грунта azgи на­

грузки от фундамента ozpили только от веса грунта ач в зависимо­

сти от того, какие силовые факторы являются причиной просадки; hs\ — высота образца после замачивания при том же давлении;

hg — высота образца природной влажности, обжатого давлением (рис. 15.9, а).

Грунт считается просадочным при условии б^ > 0,01. Относитель­

ная просадочность зависит от давления, степени плотности грунта природной влажности и его состава, степени повышения влажности.

Н ачальное просадочное давление pd — это давление, цри

котором относительная просадочность 8^=0,01, т. е. при котором

грунт считается просадочным. Если провести компрессионные ис­ пытания лессового, грунта с замачиванием образцов при различных нагрузках, можно получить график зависимости sd от давления

р (рис. 15.9, б). Тогда оказывается легко установить для исследован­ ного грунта значение начального просадочного давления pd.

408

Как будет показано ниже, эта характеристика является также очень важной при расчете просадок.

За начальную просадочную влажность wsiпо аналогии принима­

ется влажность, при которой в условиях заданных давлений от­ носительная просадочность равна 0,01. Лабораторные и полевые способы определения основных характеристик просадочности под­ робно рассмотрены в книге В. И. Крутова*, а также содержатся в ГОСТ 23161 — 78**.

При расчете оснований и фундаментов на просадочных грунтах по II предельному состоянию требуется выполнение условия

s'^Su,

где s' — полная деформация основания, определяемая по формуле (15.16); su — предельно допустимая деформация для проектируемо­ го сооружения.

Давления под подошвой фундаментов р при этом не должны превышать расчетного сопротивления грунтов R, вычисляемого по формуле (9.5) с использованием полученных экспериментально ха­ рактеристик прочности лессовых грунтов (р и с. В зависимости от предполагаемого состояния грунтов по влажности эти характери­ стики определяются для грунтов природной влажности или в водо­ насыщенных образцах после их просадки. Следует иметь в виду, что замачивание лессовых просадочных грунтов приводит к значитель­ ному снижению прочностных характеристик, а следовательно, к су­ щественному уменьшению их расчетного сопротивления и несущей способности. За счет разрушения структурных связей особенно рез­ ко (в 2... 10 раз) снижается сцепление при относительно небольшом (в 1,05...1,2 раза) уменьшении угла внутреннего трения. Если пред­ полагается уплотнение или закрепление грунтов, расчетное сопроти­ вление R определяется с использованием характеристик ср и с, полученных при испытании уплотненных или закрепленных грун­ тов.

Расчет просадочных деформаций выполняется в тех случаях, ког­ да не предусматриваются мероприятия по устранению просадочных свойств грунтов или когда эти свойства устраняются лишь частич­ но, а предпринимаемые водозащитные мероприятия недостаточны для исключения вероятности замачивания грунтов просадочной толщи.

Важно установить возможные источники замачивания и области основания, в пределах которых грунты могут перейти в водонасы­ щенное состояние. На основании такого прогноза назначаются рас­ четные зоны, для которых оцениваются возможность просадочных явлений и величина просадки. Принципиально рассматриваются

*Крутов В. И. Основания и фундаменты на просадочных грунтах. Киев, 1982. **ГОСТ 23161 — 78. Грунты. Метод лабораторного определения характеристик

просадочности. М ., 1978.

409

Рис. 15.10. Схемы красчету просадок основания:

а — I тип грунтовых условий; б, в, г — И тип грунтовых условий;7 — эпюра вертикальныхнапряженийотсобственноговеса грунта О™;2 — эпюрасуммар­ ных вертикальных напряжений от внешней нагрузки'и собственного веса грунта Oz~ oip + ач ; 3 — изменение с глубиной начального просадочного давления д а Hsi — толщина слоя просадочных грунтов

следующие схемы: замачивание значительных площадей при ин­ фильтрации влаги с поверхности (например, атмосферные осадки и т. п.) или при подъеме уровня подземных вод; локальное замачи­ вание грунтов непосредственно под фундаментом или на некоторой глубине от различных источников (утечки из лотков, трубопрово­ дов, коллекторов, накопительных прудов и т. п.).

После того как установлены источник и зона возможного зама­ чивания, определяются размеры деформируемой зоны hsi, в преде­ лах которой ожидаются просадочные деформации. Для этой цели

просадочных давлений psi (рис. 15.10). Просадка учитывается в тех

слоях, где выполняется условие

в*+в*>А *

На рис. 15.10 приведены характерные случаи расположения де­ формируемых зон.

Просадка при замачивании больших площадей определяется методом элементарного суммирования по формуле

/=i

где Egi' i— относительная просадочность грунта i-ro слоя, соответ­

ствующая давлению azg+azp, которая может быть определена по

410