книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

можность разложения органических включений и равный для водонасьщенных насыпных грунтов 0,2, а для остальных — 0,5.

Осадка подстилающих грунтов Sfi учитывается путем добавле­ ния к значениям а2рниже кровли подстилающих грунтов вертикаль­ ного напряжения от веса вышележащих насыпных грунтов. До­ пускается не учитывать осадку Sj,4 при давности отсыпки насыпей более 2 лет, если насыпь подстилается песчаными и маловлажными глинистыми грунтами, и 5 лет — влажными и водонасыщенными глинистыми грунтами.

Наиболее часто применяют три вида устройства оснований на насыпных грунтах.

Использование насыпных грунтов как естественных оснований возможно для слежавшихся грунтов, уложенных в виде планомерно возводимых насыпей при достаточном уплотнении, а также в тех случаях, когда насыпные грунты представлены крупным песком, гравием, щебнем или гранулированными стойкими шлаками. Для зданий и сооружений с нагрузкой на фундаменты до 400 кН и до 80 кЫ/м в качестве естественных оснований могут быть использованы все виды слежавшихся планомерно возведенных насыпей, а также отвалов грунтов, если относительное содержание в них органичес­ ких веществ не превышает 0,05.

Устройство искусственных оснований На насыпных грунтах связа­ но с принятием мер по улучшению механических свойств грунтов. При этом должны быть обеспечены достаточная несущая способ­ ность оснований и величина деформаций, допустимая для стро­ ящихся сооружений.

Для улучшения свойств оснований, сложенных насыпными грун­ тами, используют уплотнение тяжелыми трамбовками на глубину до 2 ...7 м, поверхностное уплотнение вибрационными машинами и катками. При значительной толще насыпных грунтов эффективны методы глубинного уплотнения песчаными и грунтовыми сваями, способ гидровиброуплотнения. Возможно устройство фундаментов методом вытрамбовывания котлованов. Гравийные и песчаные по­ душки устраивают на насыпных грунтах для замены верхних слоев сильносжимаемых грунтов либо грунтов с большим содержанием органики (более 0,1). Если ниже слоя ыасыпых грунтов залегают просадочные лессовые, набухающие или засоленные грунты, то при

431

устройстве грунтовых подушек принимают меры по устройству водонепроницаемых экранов из глинистых грунтов, асфальтового или бетонного непрерывного покрытия.

Прорезка насыпных грунтов глубокими фундаментами примени­ ма, если методы устройства искусственного основания неприем­ лемы по технико-экономическим показателям. В качестве глубоких фундаментов наиболее часто применяют забивные или буронабив­ ные сваи, которые полностью прорезают слой насыпных грунтов и заглубляются в нижерасположевные прочные грунты.

Особенность взаимодействия свай с неслежавптимися насыпны­ ми грунтами заключается в том, что при уплотнении насыпи по боковым поверхностям свай возникают силы нагружающего трения Ffn[см. формулу (15.26)], обусловленные весом нависающего на свае насыпного грунта. Дополнительную нагрузку на сваю в этом случае рекомендуется определять по формуле

ного грунта; А/ — площадь нависающего на сваю грунта, равная для одиночной сваи Af=n(Q,15H'f) 2, средней сваи в кусте Аг=Р (/ — расстояние между сваями); то же, крайней Af=/(0,5l+0,15Hf); то же, угловой Af=0JZ5n(0,5l+0,l5Hf)2, свай в ленточном фундаменте

Af=0,3ltff.

В отдельных случаях фундаменты устраивают методом опуск­ ного колодца.

Вышеуказанными мерами не всегда удается обеспечить допусти­ мость осадок сооружений по величине или но степени их неравноме­ рности. Тогда используют конструктивные мероприятия, созда­ ющие условия для нормальной эксплуатации здания и сооружений. В их число обычно входят разрезка зданий и фундаментов осадоч­ ными швами, устройство железобетонных поясов и армированных швов, применение монолитных и сборно-монолитных фундаментов. Применяют также конструктивные решения, позволяющие в корот­ кие сроки восстановить при неравномерных осадках нормальную эксплуатацию кранов, лифтов и другого оборудования.

Глава 16 ФУНДАМЕНТЫ НА СКАЛЬНЫХ И ЭЛЮВИАЛЬНЫХ ГРУНТАХ,

ЗАКАРСТОВАННЫХ И ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

16.1.Проектирование фундаментов на скальных

иэлювиальных грунтах

Особенности строительства на скальных и элювиальных грунтах. Многие считают, что скальные грунты всегда являются идеальными

432

Рис. 16.2. Характерные типы контакта кровли скальных и подошвы рыхлых грунтов (по Р. Гудману):

а — рыхлыеотложенияна коренныхпородах;б — контактэлювиясоскальнымгрун­ том; в — карстовые грунты; г — переслаивание жестких и мягкихскальных грунтов; д — зона тектоническогоразлома; е — неоднороднаятрещиноватость скальныхгрун­ тов

смотрено в § 16.2. Достаточно часто встречается напластование различных по жесткости пород (например, переслаивание жестких песчаников и мягких аргиллитов), представленное на рис. 16.2, г. Здесь уже основание обладает анизотропией свойств, причем передача нагрузки от фундамента на жесткие слои породы малой толщины может вызвать их изгиб при действии местной нагрузки. Разломы (крупные тектонические трещины) в основании (рис. 16.2, д) могут явиться причиной значительных неравномерных дефор­ маций из-за различного залегания кровли породы и уровня под­ земных вод по обе стороны разлома, повышенной трещиноватости массива вблизи разлома и возможных подвижек по его оси. Наконец, неоднородная трещиноватость различных участков скального массива (рис. 16.2, е) также может явиться причиной неравномерных деформаций сооружения вследствие смыкания трещин или взаимного проскальзывания по ним отдельных блоков породы.

В зависимости от минерального состава скальные и элювиаль­ ные грунты могут быть подвержены внешним воздействиям: раз­ рушению и распаду агрегатов сланцев, аргиллитов, алевролитов

идругих пород под влиянием атмосферных осадков, растворению

ивыносу гипса или каменной соли подземными водами, набуханию

434

или просадке элювиальных грунтов и некоторых скальных пород при увлажнении и т. д.

Отмеченные выше особенности оснований, сложенных скальны­ ми и элювиальными грунтами, вызывают необходимость проведе­ ния детальных инженерно-геологических и геотехнических .изыска­ ний для строительства, качество которых в значительной мере влияет на надежность и экономичность принимаемых инженерных решений. Особые сложности возникают при определении харак­ теристик прочностных и деформационных свойств грунтов. Как правило, для ответственных сооружений в этих случаях используют­ ся полевые методы исследований, подробно рассмотренные в рабо­ те С. Б. Ухова (1975).

Следует отметить, что в процессе инженерно-геологических изысканий не всегда удается получить необходимую информацию о строении и свойствах массива (наличие и расположение трещин, зон дробления, прослоек нескальных грунтов и т. п.). Часто эти сведения приходится уточнять при вскрытии котлованов под фун­ даменты. Поэтому одна из задач при проектировании на скальных и элювиальных грунтах заключается в выборе таких типов и конст­ рукций фундаментов, которые могли бы быть оперативно модифи­ цированы и приспособлены к изменившимся условиям непосредст­ венно во время строительства.

Степень выветрелости скальных грунтов рекомендуется устанав­ ливать путем сопоставления плотности р выветрелой породы в условиях природного залегания с плотностью ри невыветрелой (монолитной) породы. Чем ближе значения р и ри, тем менее выветрена скальная порода.' Допускается величину ри принимать равной плотности частиц скального грунта рг-

Количественная оценка степени выветрелости производится по коэффициенту выветрелости киг, который определяется по формуле

где Iw-=(pr—p)/p — показатель выветрелости.

Классификация Скальных и элювиальных грунтов по степени выветрелости в соответствии с их классификацией по прочности (см. § 2.2) приведена в табл. 16.1.

435

Фундаменты на скальных грунтах. Закладка фундаментов в мас­ сиве скальных грунтов целесообразна, если мощность слоя четвер­ тичных отложений относительно невелика и позволяет осуществить возведение фундаментов в открытом котловане, использовать сваи или буровые опоры. В любом случае целесообразность такого решения должна быть подтверждена технико-экономическим расчет том.

Размеры подошвы фундаментов определяются расчетом по пер­ вой группе предельных состояний в соответствии с изложенным в начале § 6.3. Значение вертикальной составляющей силы предель­ ного сопротивления основания Nu, сложенного скальными грун­ тами, определяется по формуле (6.28).

Несущую способность Fd забивных свай, свай-оболочек, набив­ ных и буровых свай, опирающихся на скальный грунт, следует определять как для свай-стоек в соответствии с правилами, приве­ денными в § 11.3.

При наличии значительных горизонтальных нагрузок необходи­ мо выполнять проверку устойчивости фундамента на сдвиг пО подошве и опрокидывание. Фундаменты, устраиваемые под опоры линий электропередачи, под телебашни и другие сооружения, ис­ пытывающие воздействие ветровых нагрузок, должны проверяться расчетом на выдергивание.

Присутствие в основании сооружений наклонно падающих тре­ щин, зон сдвигов, особенно при расположении сооружений на от­ косах, требует проведения расчетов устойчивости, использующих расчетную схему сдвига по заданной поверхности скольжения. В этом случае нагрузки, передаваемые на скальное основание, могут оказаться ограниченными меньшими пределами, чем определенные по формуле (6.24).

Расчеты скальных оснований по деформациям, как правило, не производятся. Исключение могут составлять только особо ответст­ венные сооружения с жесткими требованиями к неравномерным осадкам при значительной неоднородности оснований. Для рас­ четов сооружений (например, плитных фундаментов) может возник­ нуть необходимость определения контактных напряжений. Указан­ ные расчеты следует выполнять в соответствии со СНиП 2.02.02 — 85 «Основания гидротехнических сооружений».

При небольшой глубине залегания кровли скальных грунтов применяют монолитные фундаменты, сооружаемые в открытых котлованах. Особое внимание при этом следует уделять обеспече­ нию сохранности поверхности скалы и ее защите от разрушения. Разработка котлована должна вестись мелкопшуровыми зарядами с оставлением защитного слоя и его ручной доборкой непосредст­ венно перед укладкой бетона. Не следует допускать длительного увлажнения поверхности грунта атмосферными или подземными водами. Особенно это опасно в случае сильно размокающих полускальных грунтов. При продолжительных сроках строительства или

436

Рис. 16.3. Характерные схемы фундаментов на скальныхгрунтах:

а, б — фундаменты с уступчатой й ступенчатой подошвой; в — свая-оболочка; г — опускные колодцы; 1 — свая-оболочка; 2 — бетонное заполнение; 3 — ар­ матурный каркас; 4 — буровая скважина в скальном вруше; 5 — скальный грунт; 6 — надфундаментная конструкция; 7 — плита; 8 — опускной колодец

перерывах в работе вскрытая поверхность скального грунта должна защищаться с помощью распыления асфальтового или бетонного покрытия. _

Вскрытые котлованом в местах постановки фундаментов круп­ ные трещины очищают от заполнителя, промывают водой под давлением и заделывают цементно-песчаным раствором на глуби­ ну, равную 4...5 ширинам их раскрытия. Более значительные осла­ бленные зоны, обычно приуроченные к местам пересечения или сгущения трещин, расчищают и заполняют тощим бетоном с уплот­ нением.

При возведении монолитных фундаментов для уменьшения объ­ ема разработки скального грунта поверхность основания под подо­ швой фундамента часто обрабатывают уступами (рис. 16.3, а). Такую же обработку применяют для повышения устойчивости фун­ дамента на сдвиг при наличии значительных горизонтальных нагру­ зок от сооружения. В случае больших выдергивающих нагрузок устраивают выпуски анкеров из фундамента, заделываемых в ниже­ лежащий скальный массив. При наклонном залегании кровли скалы подошву фундамента выполняют в виде ступенек (рис. 16.3, 6).

В случае глубокого залегания кровли скальных грунтов приме­ няют свайные фундаменты, сваи-оболочки или опускные колодцы. При использовании забивных свай для лучшего их внедрения в по­ верхностный слой скалы на острие сваи надевают специальные металлические наконечники.

Сваи-оболочки (рис. 16.3, в) забуривают в скальный грунт по расчету, но не менее чем на 0,5 м. Диаметр скважины не должен превышать внутренний диаметр оболочки, а для оболочек диамет­ ром 2 м и более обычно диаметр скважины снижается на 20...40%.

437

Скважины в скале армируют каркасом из стержней диаметром не менее 26 мм и спиралью диаметром 8...10 мм с шагом10...12 см. Оболочки, опираемые на скальные грунты, могут нести значитель­ ные сжимающие нагрузки (10 МЫ и более). Для восприятия этих сил оболочки обычно полностью заполняются бетоном. В толстостен­ ных оболочках иногда удается ограничиться устройством нижней бетонной пробки.

Значительные затруднения часто возникают при посадке на скальные грунты опускных колодцев. При наклонном залегании скалы не всегда удается равномерно опереть колодец по всему периметру (рис. 16.3, г), кроме того, верхние слои скальных грунтов могут быть разрушены процессами выветривания и подлежат уда­ лению. Это бывает сопряжено со специальными сложными работа­ ми, а иногда и с переоборудованием колодца в кессон.

Выработки под тяжело нагруженные опоры могут вскрыть суб­ вертикальные трещины, зоны дробления породы и разломы с рас­ крытием, соизмеримым с площадью опирания. В таких случаях обычно идут на дополнительное заглубление фундаментов до от­ меток, на которых ослабленные зоны выйдут за пределы площади опирания. Например, в процессе сооружения буровых опор под одно из зданий в Чикаго, проектная глубина заложения которых в доломиты составляла около 50 м, пришлось увеличить глубину заложения опор до 60 м, пока зона пересекающихся трещин не вышла из площади опирания.

Субгоризонтальные трещины вблизи поверхности чаще всего раскрыты вследствие разгрузки массива в процессе эрозии. Нахо­ дясь вблизи подошвы фундамента, такие трещины могут служить причиной неравномерных осадок. В этом случае целесообразна закладка фундаментов или устройство буровых свай с опиранием ниже зоны развития субгоризонтальных трещин или их расчистка и последующая цементация.

Фундаменты наэлювиальных грунтах. При проектировании оснований-и фундаментов на элювиальных грунтах следует учиты­ вать их значительную неоднородность по глубине и в плане, наличие грунтов с большим диапазоном изменения прочностных

идеформационных свойств (скальных разной степени выветрелости

иразличных типов нескальных грунтов). Надо также иметь в виду

склонность элювиальных грунтов к снижению прочности во время их пребывания в открытых котлованах, возможность перехода элювиальных супесей и пылеватых песков в плывунное состояние при их водонасыщеиии. Иногда элювиальные пылеватые пески проявляют просадочные свойства. Глинистый элювий при замачи­ вании отходами технологического производства способен набу­ хать.

Рекомендуемые характеристики механических свойств элюви­ альных грунтов приведены в «Пособии по проектированию основа­ ний зданий и сооружений» (к СНиП 2.02.01 — 83). Эти данные

438

в основном могут быть использованы при проектировании сооруже­ ний II и III классов или для предварительной оценки оснований. Проектирование оснований и фундаментов тяжелых и ответствен­ ных сооружений должно выполняться на основе эксперименталь­ ного изучения механических свойств элювиальных грунтов с приме­ нением лабораторных и, если необходимо, полевых методов ис­ следований* (см. § 4.5).

Большое разнообразие грунтовых условий даже в пределах пло­ щадки строительства часто предполагает неоднозначность проект­ ных решений и необходимость вариантных проработок. Это от­ носится к выбору типа и глубины заложения фундаментов, их размеров, назначению мероприятий по обеспечению устойчивости оснований и сооружений, откосов строительных котлованов, выбо­ ру конструктивных и других способов ограничения деформаций оснований и сооружений допускаемыми пределами.

Если в основании преобладают дисперсные грунты с незначи­ тельным (по разным оценкам, менее 30...40% по объему) содержа­ нием скальных включений в виде глыб, обломков, щебенистого материала, то размеры опорных площадей фундаментов назнача­ ются в соответствии со свойствами наиболее слабых разностей. В противном случае упрочняющее влияние твердых включений на интегральные характеристики грунта является очевидным и такая оценка должна быть произведена при выполнении геотехнических исследований (см., например, расчетно-экспериментальный метод в § 4.5).

Таблица 16.2. Определение глубины сжимаемой толщи элювиальных грунтов

Отношение Czp!aig

для определения условной Виды грунтов величины сжимаемой толщи

основания

Примечание. azp — напряжение на глубине г от уровня подошвы фундамента от допол­

нительного давления, а1р— то же, от природного давления.

*Федоров В. И. Прогноз прочности и сжимаемости оснований из обломочно­ глинистых грунтов. М., 1988.

439

Расчеты по предельным состояниям выполняют обычными ме­ тодами, рассмотренными в гл. 6 н 7. Важно отметить, что при определении осадок фундаментов на элювиальных грунтах мощ­ ность сжимаемой толщи устанавливается в зависимости от грануло­ метрического состава грунта. Данные для определения этой вели­ чины приведены в табл. 16.2.

При чрезмерных величинах рассчитанных деформаций или недо­ статочной несущей способности основания должны осуществляться следующие мероприятия: устройство уплотненных грунтовых рас­ пределительных подушек из песка, гравия, щебня и крупнообломоч­ ных грунтов; удаление из верхней зоны основания включений скаль­ ных грунтов, полная или частичная замена рыхлого заполнителя «карманов» и «гнезд» выветривания в скальных грунтах щебнем, гравием или песком с уплотнением.

Если здание или сооружение расположено большей частью на скальном, полускальном или глыбощебенистом грунте, целесообра­ зно производить частичную выборку под оставшейся частью элюви­ альных песчаных или пылевато-глинистых грунтов с устройством уплотненной распределительной подушки из скального щебня, крупнообломочного невыветрелого или слабовыветрелого грунта.

При недостаточности этих мероприятий целесообразно примене­ ние свайных фундаментов, способов выравнивания осадок основа­ ния или конструктивных мероприятий по повышению устойчивости грунтового массива (устройство шпунтовых ограждений, подпор­ ных стен и т. п.) и снижению восприимчивости сооружений к нерав­ номерным деформациям (разрезка на отсеки, устройство армиро­ ванных швов и поясов, использование плитных и коробчатых конст­ рукций фундаментов, фундаментов в виде перекрестных лент и т. п.).

При проектировании свайных фундаментов следует иметь в ви­ ду, что использование в элювиальных грунтах забивных свай не всегда оказывается целесообразно. Погружение свай до проектных отметок часто может быть затруднено наличием в толще грунтов включений и блоков скальных пород. Особенно неблагоприятны ситуации, когда блоки, препятствующие погружению свай, подсти­ лаются пластами грунтов, имеющих повышенную сжимаемость. Поэтому во многих случаях приходится ориентироваться преиму­ щественно на применение набивных и буровых свай.

Если основание представлено крупноглыбовыми элювиальными грунтами с незначительным содержанием слабых прослоек и «кар­ манов», заполненных рыхлым сжимаемым материалом, определя­ ющими при проектировании являются свойства скальных пород. Для обеспечения надежности проектного решения необходимо опре­ делить размеры ослабленных зон и сжимаемость заполняющих их материалов в пределах активной зоны основания, вычислить осадки и убедиться, что они не превышают предельных значений. При формальном выполнении условия (6.24) следует иметь в виду, что

440