книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

опытной кривой типа, показанного на рис. 15.9, б; п — число слоев деформируемой зоны при б,/, ,->0,01; А,-— толщина /-го слоя (А,-^2

м); к^, i — коэффициент, учитывающий некоторую условность ме­

тодик лабораторных испытаний грунтов и особенность просадки грунтов от нагрузки.

Для широких фундаментов (6^12 м) и при определении просад­ ки от собственного веса грунта принимается kd=l, для фундамент

где р — среднее давление под подошвой фундамента; psi ; — на­

интерполяции.

В СНиП 2.02.01 — 83 содержатся также указания по расчету просадок и кренов фундаментов при локальном замачивании ос­ нований.

Вернемся к схемам на рис. 15.10. На этих схемах выделены два участка деформируемой зоны: hsit р, на котором просадка проис­

ходит от нагрузок, передаваемых фундаментом; g, на котором

просадка обусловлена напряжениями от собственного веса грунта. Расчетные значения просадок на этих участках позволяют опреде­ лить тип грунтовых условий строительной площадей по просадочности:

I тип — просадка грунта происходит в основном в пределах участка hsi р от внешней нагрузки, а просадка от собственного веса

(участок hsi g) не превышает 5 см (рис. 15.10, а);

П тип — наряду с просадкой грунта от нагрузки^ передаваемой фундаментом, в нижней части просадочной толщи (участок ha, g)

просадка превышает 5 см (рис. 14.10, б, в, г).

Указанное подразделение грунтовых условий по типам просадочности играет большую роль при назначении инженерных меропри­ ятий и рациональных конструкций фундаментов на территориях, сложенных просадочными грунтами.

Тип просадочности лессового основания можно определить так­ же опытным замачиванием котлована, отрытого в испытуемых грунтах. Если при этом под действием собственного веса просадка грунта при замачивании будет не более 5 см, то грунты относятся к I типу, если толща грунтов проседает более чем на 5 см — ко П типу просадочности.

Принципы строительства на просадочных грунтах. При проек­

411

тировании оснований и фундаментов зданий на просадочных грун­ тах прежде всего учитывают возможность их замачивания и возник­ новения просадочных деформаций. В тех случаях, когда исключает­ ся замачивание, основания и фундаменты проектируются как на обычных непросадочных грунтах.

При возможности замачивания грунтов надежность и нормаль­ ная эксплуатация зданий и сооружений достигаются применением одного из следующих принципов:

осуществление комплекса мероприятий, включающего подго­ товку основания, водозащитные и конструктивные меры;

устранение просадочных свойств грунтов; прорезка просадочных грунтов глубокими фундаментами.

В комплекс водозащитных мероприятий входят: компоновка генплана; планировка застраиваемых территорий; устройство под зданиями и сооружениями маловодопроницаемых экранов; качест­ венная засыпка пазух котлованов и траншей; устройство вокруг зданий водонепроницаемых отмосток; отвод аварийных вод за пределы зданий и в ливнесточную сеть.

При планировке следует использовать пути естественного стока атмосферных вод. Применение песчаных грунтов, строительного мусора и других дренирующих материалов для планировочных насыпей, обратных засыпок, грунтовых подушек не допускается. Для этих целей должны использоваться местные лессовидные суг­ линки и глины с тщательным уплотнением. Вокруг зданий для отвода атмосферных вод устраиваются отмостки специальных кон­ струкций.

Конструктивные мероприятия применяют обычно при строитель­ стве на просадочных грунтах со П типом грунтовых условий и на­ значают по расчету конструкций зданий и сооружений на нерав­ номерные просадки. Мероприятия объединяют в три группы, по составу и способам осуществления традиционные для строительст­ ва в особых грунтовых условиях.

Повышение прочности и общей пространственной жесткости сооружений, выполняемое для относительно жестких зданий и со­ оружений, обеспечивается разрезкой зданий и сооружений осадоч­ ными швами на отсеки с ориентировочным расстоянием между осадочными швами для жилых, гражданских и промышленных многоэтажных зданий, равным 20...40 м, а для промышленных одноэтажных зданий — 40...80 м. Предусматриваются также устройство железобетонных поясов и армированных швов, усиление фундаментно-подвальной части зданий и сооружений путем приме­ нения Монолитных или сборно-монолитных фундаментов.

Для податливых и гибких зданий и сооружений иногда оказыва­ ется эффективным применение мероприятий по дополнительному увеличению податливости. Это достигается введением гибкой связи между отдельными элементами, повышением площади опирания отдельных конструктивных элементов и т. п.

412

Третья груша объединяет методы, обеспечивающие нормаль­ ную эксплуатацию зданий и сооружений при возможных, часто неравномерных, просадках. Для этого применяют конструктивные решения, позволяющие в короткие сроки восстановить после неравномерных просадок нормальную эксплуатацию кранов, лифтов, оборудования путем рихтовки подкрановых путей и на­ правляющих лифтов, поднятия опор домкратами. Предусматрива­ ются также увеличенные габариты между отдельными конструкци­ ями, например между мостовыми кранами и элементами покры­ тия.

Устранение просадочных свойств грунтов достигается их уплотне­ нием или закреплением, устройством грунтовых подушек.

Эффективным способом является уплотнение тяжелыми тр а ­ мбовками. На площадках с I типом грунтовых условий для небо­ льших по ширине фундаментов (до 1,5...2 м) поверхностное уплот­ нение обычно оказывается достаточным для полной ликвидации просадочных свойств грунтов в пределах деформируемой зоны от нагрузки фундаментов. На площадках со П типом грунтовых усло­ вий уплотнение тяжелыми трамбовками позволяет полностью или частично устранить просадку грунта только от нагрузки фундамен­ тов и применяется в комплексе с водозащитными и конструктив­ ными мероприятиями. Для полного устранения просадочных свойств грунтов на всю их толщу при П типе грунтовых условий этот метод применяется в сочетании с глубинным уплотнением для уплотнения верхнего, так называемого буферного слоя. Удары тя­ жёлых трамбовок создают колебания в грунтовом массиве, что следует учитывать при уплотнении грунтов вблизи существующих знаний и сооружений. Для приближенной оценки можно принять, что при энергий удара 300...400 кН • м сейсмичность распространяет­ ся на расстоянии: 3,5...4м при 8-баллах, 5...7мпри 7 баллах, 9...Юм при 6 баллах.

Устройство грунтовых подушек обеспечивает создание в ос­ новании фундаментов слоя нелросадочного грунта. Когда необ­ ходимо получить уплотненный слой грунта значительной толщины, применяется двухслойное уплотнение путем сочетания поверхност­ ного уплотнения со дна котлована тяжелыми трамбовками и устройства по верху уплотненного слоя грунта грунтовой подуш­ ки. На площадках с I типом грунтовых условий этим методом полностью устраняется возможность просадки фундаментов.

При умеренных нагрузках от сооружений можно рекомендовать устройство фундаментов в вы трам бованны х котлованах, фун­ даментов в виде пирамидальных свай и забивных блоков. На пло­ щадках со II типом грунтовых условий применение указанных типов фундаментов допускается, если суммарная просадка грунта от собственного веса и нагрузок, передаваемых фундаментами, не превышает допустимой величины.

Использование катков имеет ограниченный характер, например

413 '

при уплотнении материала в теле грунтовых подушек. Применяется также поверхностное уплотнение подводными взрывами.

Уплотнение предварительны м замачиванием дает воз­ можность уплотнить грунты с глубины, на которой напряжения от собственного веса водонасыщенного грунта превышают на­ чальное просадочное давление. Происходящее при этом понижение поверхности может распространиться на большие площади, по­ этому данный метод наиболее целесообразно применять на вновь застраиваемых площадках. Широко используют также уплотнение оснований пробивкой скважин (грунтовые сваи) и глубинными взрывами.

Для закрепления просадочных грунтов применяют методы од­ норастворной силикатизации или термообжига. На площад­ ках с I типом грунтовых условий закрепление производят в преде­ лах деформируемой зоны для ликвидации просадочных свойств, повышения прочности и уменьшения сжимаемости грунта. На про­ садочных грунтах со II типом грунтовых условий и особенно для жилых зданий обычно целесообразно создавать из закрепленного грунта отдельные опоры или массивы, передающие нагрузки от зданий на подстилающие слои нецросадочного грунта с достаточ­ ной несущей способностью. Иногда в нижней части таких опор устраивают уширения из закрепленного грунта.

П рорезка просадочных грунтов обычно осуществляется с помощью свайных фундаментов.

Наиболее целесообразно применять забивные и особенно кони­ ческие и пирамидальные сваи, а также набивные сваи в пробитых или полученных путем уплотнения грунта взрывами удлиненных зарядов скважинах. При необходимости используют набивные сваи с уширениями, создаваемыми путем втрамбовывания в дно скважи­ ны жесткого бетона. В грунтовых условиях II типа для обеспечения достаточной несущей способности сваи, как правило, должны пол­ ностью прорезать просадочную толщу и опираться на подстила­ ющие грунты повышенной плотности и несущей способности (плот­ ные глинистые грунты, гравий, плотные пески). Неполная прорезка просадочных грунтов сваями допускается лишь на площадках с I типом грунтовых условий в тех случаях, если расчетные дефор­ мации не превышают допустимых величин.

Несущую способность свай в просадочных грунтах определяют, как правило, путем статических испытаний. Возможно также опре­ деление несущей способности по результатам статического зонди­ рования. В обоих случаях перед началом испытаний грунт замачи­ вают до полного водонасыщения. При определении несущей спосо­ бности свай расчетным методом в просадочных грунтах I типа учитывают расчетное сопротивление по боковой поверхности свай, а в грунтовых условиях II типа оно в виде сил отрицательного трения входит в дополнительную нагрузку на сваю.

414

15.4. Фундаменты на набухающих грунтах

Многие виды пылевато-глинистых грунтов твердой и полутвер­ дой консистенции при замачивании водой и особенно растворами серной кислоты увеличиваются в объеме. Такие грунты называют набухающими. В процессе набухания происходит подъем поверх­ ности грунта, что приводит к деформациям, обычно неравномер­ ным, а иногда и к разрушению зданий и сооружений. Кроме того, при набухании грунты способны оказывать дополнительное боко­ вое давление на ограждающие конструкции, причем при стесненных деформациях это давление может достигать больших значений (по опытным данным, более 0,2 МПа). При снижении влажности набу­ хающие грунты дают усадку, уменьшая свой объем.

Поскольку набухающие грунты обладают Особыми свойствами, для них кроме обычных физико-механических характеристик опре­ деляются специальные характеристики набухания и усадки. Наибо­ лее часто в расчетах используют следующие показатели.

Относительное набухание ew исследуется в компрессионных

приборах по различным методикам. Часто используемый метод одной кривой заключается в том, что образец грунта природной влажности нагружается давлением р, после чего производят замачи­ вание образца и измеряют абсолютную величину набухания (уча­ сток кривой аб на рис. 15.11, а). Относительное набухание определя­ ют при различных уплотняющих давлениях р и вычисляют по формуле

где h — высота образца грунта природного состояния, обжатого давлением р; К — то же, после набухания образца.

Характерная зависимость относительного набухания хвалынских глин от давления приведена на рис. 15.11, б.

По относительному на­ буханию Ejtv, определяемо­

415

нидо, возникающему при замачива­ нии грунта в замкнутом объеме, т. е. при отсутствии деформаций.

Ответственным этапом при про­ ектировании фундаментов на набу­ хающих грунтах является расчетный прогноз деформаций оснований. На основе этих расчетов определяют абсолютные значения подъема от­ дельных фундаментов и их относи­

Рис. 15.12. Схема к расчету подъема

основания при набухании послойного суммирования в соотве­ тствии со схемой на рис. 15.12. Для расчета необходимо построить эпюры природных напряжений czg,

дополнительных напряжений от фУВДаме0Та агр и дополнительных давлении ^

При местном замачивании основания процесс набухания в ув­ лажненной зоне встречает противодействие от веса незамеченного грунта за ее пределами, что учитывается введением в расчет допол­ нительных давлений а2>^ зависящих от размеров и формы, зоны

где kg — коэффициент, принимаемый по СНиП 2.02.01 — 83.

При увеличении размеров увлажненной зоны этот коэффициент стремится к нулю, что часто с определенным инженерным запасом и принимается в расчетах.

Нижняя граница зоны набухания #«, соответствует глубине, на

которой суммарное вертикальное напряжение <2, tot^Ozp+Ojg+^z, ad

равно давлению набухания рт.

Формула для вычисления подъема основания имеет вид

i-i

где Ssw, i — относительное набухание грунта f-го слоя, соответст­

вующее суммарному напряжению oz, tot в слое; /г,- — толщина /-го

слоя; kSWt i — коэффициент, принимаемый равным 0,8 при oZi Wt—50

416

кПа и 0,6 при а г, tot= 300 кПа, а при промежуточных значениях

G z> tot — по интерполяции.

Если расчетные деформации набухания превышают предель­

ные значения su, применяют различные мероприятия, снижающие или полностью исключающие деформации, вызванные набуханием, или уменьшающие их неравномерность до заданных пределов.

Водозащитные мероприятия. Для предупреждения проникания воды или химических растворов в грунтовое основание устраивают отмостки вокруг зданий шириной 2...3 м, применяют водонепрони­ цаемые экраны под всем сооружением из полимерных материалов либо из асфальта, заключают водопроводные и канализационные трубы в специальные железобетонные лотки и т. п. При этом следует иметь в виду, что маловлажные набухающие грунты иногда рассечены большим количеством усадочных трещин, по которым вода может легко проникать в грунтовое основание.

Улучшение свойств оснований. Предварительное замачива­ ние применяют при небольших толщах набухающих грунтов. Этим мероприятием искусственно вызывается процесс набухания грун­ товой толщи, и в дальнейшем строительство ведется как на водона­ сыщенных ненабухающих грунтах. Предварительное замачивание нельзя использовать, если во время эксплуатации может произойти высушивание грунта (например, в основании нагревательных печей

и т. п.), что приведет к усадочным деформациям.

Замачивание осуществляется через скважины диаметром 89...276 мм, располагаемые в шахматном порядке через 2...5 м друг от друга. Глубину скважин принимают на 0,5 м меньше расчетной глубины замачивания. Скважины засыпаются песком, гравием или дробленым кислым шлаком. При замачивании ведется наблюдение

фундаментов при локальном замачивании. Их устраивают из лю ­

бых, кроме пылеватых, песков на кровле или в пределах толщи набухающих грунтов преимущественно под ленточные фундаменты шириной до 1,5 м, давление по подошве которых составляет менее ОД МПа.

Размеры подушки в соответствии со схемой на рис. 15.13 прини­ мают по табл. 15.1.

Таблица 15.1. Размеры хомпевсирушцеа подушки

Принцип работы компенсирующей подушки состоит в следу­ ющем. В связи с тем что ширина песчаной подушки превышает ширину фундамента, при набухании грунтов происходит выпира­ ние песка между фундаментом и стенкой траншеи. Поэтому при подъеме дна такой траншеи песок вокруг фундамента поднимается, а сам фундамент остается практически неподвижным.

Прорезка набухающих грунтов свайными фундаментами и глубо­ кими опорами эффективна, если толща набухающих грунтов не превышает 12 м. При набухании грунтов возникают силы набуха­ ния, направленные вверх и действующие по части боковой поверх­ ности свай, расположенной в пределах толщи набухающих грунтов. Эти силы стремятся поднять сваи вверх. Для исключения подъема длина свай должна быть назначена таким образом, чтобы указан­ ные силы были меньше, чем сумма нагрузок от сооружения и силы сопротивления по боковой поверхности в нижней части свай, заглу­ бленной в ненабухающие грунты. Для увеличения сил сопротивле­ ния в заделанной части свай можно применять винтовые сваи или сваи с уширенной пятой.

К конструктивным мероприятиям относится увеличение жестко­ сти зданий путем разбивки их на отдельные отсеки. Крупнопанель­ ные здания, наиболее чувствительные к неравномерным подъемам, следует разделять осадочными швами на отсеки длиной не более 30 м. Увеличение прочности достигается введением армированных поясов толщиной не менее 15 см, устраиваемых в нескольких уров­ нях по высоте. При использовании набухающих грунтов в качестве естественных оснований необходимо проектировать фундаменты с наибольшим возможным давлением по подошве. Поэтому следует отдавать предпочтение ленточным и столбчатым фундаментам, устраивая фундаменты в виде плит и перекрестных лент только в тех сооружениях, где это обусловлено их конструктивной схемой. Конструкция подкрановых путей должна обеспечивать возмож­

418

ность рихтовки pejibcOB на величину не менее 50 мм в вертикальном

игоризонтальном направлениях.

15.5.Фундаменты на слабых пылевато-глинистых водонасыщенных и заторфованных грунтах

Вэту категорию грунтов включены водонасыщенные супеси, суглинки, глины, илы, ленточные глины, торфы и заторфованные грунты. Отличительными особенностями указанных грунтов явля­ ются высокая степень влажности (£г>0,8) и большая сжимае­ мость — модуль деформации, как правило, не превышает 5 МПа

в интервале давлений, обычных для фундаментов гражданских и промышленных сооружений.

Вместе с тем в условиях природного залегания эти грунты обладают структурными связями и проявляют повышенную сжимаемость только при давлениях, превышающих прочность стру­ ктурных связей astr. Вследствие того что илы, ленточные глины,

заторфованные грунты чаще всего находятся в водонасыщенном состоянии и обладают очень малой водопроницаемостью, их осадки развиваются крайне медленно. При уплотнении одновременно про­ текают процессы фильтрационной консолидации. Для грунтов этой группы характерны нелинейные закономерности деформирования, а таже отклонение закономерности фильтрации от закона Дарси вследствие существования начального градиента напора. Это ослож­ няет прогноз конечных осадок оснований и их развития во времени..

Слабые водонасыщенные глинистые грунты и торфы имеют тиксотропные свойства. Тиксотропия проявляется в ‘том, что при механических воздействиях (быстрое приложение нагрузки, пре­ вышающей astr; перемятие; динамические воздействия и т. п.) струк­

турные связи в грунтах разрушаются и резко снижаются харак­ теристики прочности и деформируемости. Однако с течением време­ ни водно-коллоидные связи, имеющие обратимый характер, вос­ станавливаются. Все водонасыщенные глинистые грунты являются сильнопучинистыми при промерзании, что следует учитывать при проектировании оснований и фундаментов.

Указанные грунты имеют низкую прочность. Так, у сапропе-

дей (пресноводных илов) угол внутреннего трения <р близок к нулю, а сцепление с в зависимости от степени уплотненности и минерали­ зации находится в пределах величин, близких к 0...20 кПа. У погре­ бенных торфов в зависимости от степени разложения эти харак­

теристики обычно составляют: <р = 10...22°; с =10...30 кПа. На про­ чностные свойства пылевато-глинистых грунтов сильно влияет со­ держание органических веществ и консистенция. Их прочностные характеристики меняются в широком диапазоне: <р=15...21°, с —15...50 кПа. Приблизительно в этих же пределах находятся пока­ затели прочности ленточных глин: ф= 12...19°, с = \ 0...30 кПа.

419

уплотняются при больших значениях давлений. Компрессионные кривые существенно нелиней­ ны и достаточно хорошо описываются полулогарифмическим урав­ нением.

Предельное сопротивление сдвигу этих грунтов при давлениях a<ostr (рис. 15.14, б) практически полностью обусловлено сопротив­ лением структурных связей (ф « 0; с^О). При давлениях, превыша­ ющих astr, сцепление резко снижается и несколько возрастает угол

внутреннего трения.

Тиксотропия грунтов создает большие затруднения при изуче­ нии их физико-механических свойств. В процессе отбора забивными грунтоносами образцов слабых водонасыщенных грунтов часто разрушается природная структура грунтов. По этой причине всегда существует вероятность того, что лабораторные испытания будут проводиться с грунтами, имеющими более низкие механические показатели, чем в природных условиях. М. Ю. Абелев приводит примеры подобных ошибок при исследованиях илов в основании Каширской ТЭЦ и ленточных глин северо-западного региона. По вышеизложенной причине в первом случае угол внутреннего трения илов был занижен в три раза, а во втором получены модули деформации порядка 0,5...0,8 МПа вместо 3,5...4,5 МПа.

Медленная уплотняемость слабых водонасыщенных глинистых грунтов, в особенности илов, непосредственно влияет на их несу- - щую способность. При быстром загружении оснований, представ­ ленных такими грунтами, процесс уплотнения может отставать по времени от роста нагрузки. При этом в грунте возникают значи­ тельные величины норового давления, препятствующего мобилиза­ ции сил сопротивления сдвигу. В то же время касательные напряже­ ния от внешних нагрузок передаются на скелет грунта незамед­ лительно, вследствие чего в основании могут образоваться обшир­ ные области предельного равновесия с выпиранием грунта из-под подошвы фундамента и потерей устойчивости.

Из-за низких строительных свойств этой группы грунтов их использование как естественных оснований чаще всего невозможно и требуется проведение мероприятий по повышению их прочности

420