веса грунта в середине /-го слоя; А, — толщина /-го слоя оттаивающего грун та, т. е. производится суммирование осадок п элементарных слоев в пре делах расчетной глубины оттаивания.
Крен фундаментов на оттаивающем основании определяется по формуле (рис. 15.5)
где s6 и sa— осадкикраев фундамента; b — ширина фундамента.
При прорезке слоя оттаивающих грунтов сваями и их опирании на скаль ные или вечномерзлые грунты несу щую 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 отрицательно го трения. С учетом этого расчет свайстоек по несущей способности произ водится исходя из условия
F^Fulyk-ypFn
Рве. 15.5. Изменение во вре мени зоны оттаивания под фундаментом наружной сте-
1— фундамент; 2— граница от таивания; 3— эпюра осадокфун дамента
(15.9)
где F — расчетная нагрузка на сваю; Fu— несущая способность сваи; ук — коэффициент условий работы, принимаемый согласно СНиП 2.02.03 — 85; ур— то же, в пределах зоны оттаивания (ур= 1 для бурозабивных и буроопускных свай с цементно-песчаным запо лнителем пазух и ур= 0,7 для буроопускных свай с глинистым за полнителем пазух); Fneg— отрицательная сила трения:
(15.10)
где ир — периметр сваи;/,,, — отрицательное трение /-го слоя отта ивающего грунта, принимаемое по табл. 11.2; А, — толщина /-го слоя оттаивающего грунта.
Расчет фундаментов на воздействие сил морозного пучения. В пределах глубины сезонного оттаивания основания d,n грунт попеременно будет находиться в талом и мерзлом состоянии. Мо 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 пу чения стремится увлечь фундамент вверх. Бели усилия, противо действующие силам морозного пучения, недостаточны, фундамент вместе с сооружением может подняться на некоторую высоту. В летний период произойдет оттаивание грунта деятельного слоя, сопровождающееся осадкой фундамента. В результате цикличес кого сезонного промерзания и оттаивания через несколько лет такой фундамент может быть «выпучен» из грунта на десятки сантиметров. Недоучет этого фактора явился причиной аварий мно гих, 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
r,„A,t -F s:'-F n |
(15.11) |
Уп |
|
где т — расчетная удельная касательная сила пучения; Ath— пло щадь боковой поверхности смерзания фундамента в промерза ющей — оттаивающей толще мощностью Л,А; F — расчетная на грузка на фундамент, принимаемая с коэффициентом 0,9; ус—1,0 и у„= 1,1 — соответственно коэффициенты условий работы и надеж ности; FT— расчетная сила, удерживающая фундамент от выпучи вания.
Особенности определения величин, входящих в формулу (15.11), рассмотрим на расчетных схемах, приведенных на рис. 15.6.
Значения т,АСНиП 2.02.04 — 88 рекомендует определять опыт ным путем, а для сооружений II й III классов — по таблице, приве денной в Нормах. Силы пучения можно понизить до 30%, если нанести на поверхность бетона полимерную пленку или покрыть ее консистентной смазкой. Площадь боковой поверхности смерзания А,н может быть принята равной Ath=hfHuth, где ил — периметр сече ния смерзания.
Сила F„ удерживающая фундамент от выпучивания, находится в зависимости от принципа использования основания. При проек тировании по принципу I сила Fr складывается из двух компонент: силы смерзания материала фундамента с грунтом на высоте фун даментной подушки hef и силы по периметру вышележащей грун товой призмы высотой hSh (рис. 15.6, а). Тогда
Fr=u (Rajhaf+ Rshhjh), |
(15.12) |
где и — периметр сечения сдвига; Д / и Rsh принимаются согласно рекомендациям СНиП 2.02.04 — 88.
P E C . 15.6. Схемы к расчету фундаментов на действие сил морозного пучения:
1 — фундамент; 2 — деятельный слой; 3 — вечномерзлыйгрунт; 4 — свая
нижней ступенью фундамента или
При расчете свайных фу ндаментов на действие сил морозного пучения второй член в формуле (15.12) от сутствует (рис. 15.6, б).
При расчете фундамен тов, возводимых по принци пу II, сила Fr определяется соотношением
где / — расчетное сопротив ление талого грунта сдвигу по поверхности фундамента, принимаемое по табл. 11.2; h — мощность слоя талого грунта, соприкасающегося i 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 загружены 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 по 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 сти в связи с необходимостью сохранения грунта в мерзлом состо янии при отрывке котлована.
Наибольшее распространение при строительстве с сохранением вечной мерзлоты получили свайные фундаменты. Глубина заделки свай в вечномерзлые грунты должна составлять не менее 2 м, а для опор мостов превышать 4 м. Поскольку вечномерзлые грунты обладают высокой прочностью, использование обычных забивных свай возможно только в пластично-мерзлых грунтах. Применение 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 поперчный размер сваи. Затем скважины заполняют грун товым раствором, после"чего погружают в них сваи. После замерза ния грунтового раствора свая оказывается надежно защемленной в вечномерзлом грунте.
Бурозабивные сваи (рис. 15.7, б) 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 с 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 методы устройства фундаментов, возводимых по принципу П, практически не отличаются от применяемых на немерз лых основаниях.
Мероприятия по борьбе с морозным пучением. Уменьшение влия ния сил морозного пучения может быть достигнуто различными способами. Применяемый
|
|
|
|
|
иногда комплекс мер по ре |
|
гулированию температурно |
|
влажностного режима вклю |
|
чает осушение грунтов с по |
|
мощью дренажа, отвод по |
|
верхностных вод и пониже |
|
ние уровня подземных |
вод, |
|
а также |
утепление грунтов |
|
около фундаментов. |
Для |
|
уменьшения касательных сил |
|
пучения фундаменты в пре |
Рис. 1S.7. Способы погружения свай в веч |
делах деятельного слоя |
по |
номерзлый грунт: |
крывают |
незамерзающими |
1 — свая; 2 — верхняя граница вечномерзлого |
обмазками на основе битума |
грунта; 3 — грунтовый раствор; 4 — стенка |
скважины; 5 — граница оттаивания |
или эпоксидной смолы. Мож- |
но применять противопучинистые засыпки из сухого гравия, гальки, шлака или засоленной глины, имеющей пониженную температуру замерзания. Конструктивным мероприятием является заанкеривание фундаментов в вечномерзлый грунт, что достигается увеличени ем глубины заложения. При этом должна быть проверена про чность 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 н аварий зданий и соору жений в северной климатической зоне.
15.3. Фундаменты на лессовых просадочных грунтах
Трудность строительства сооружений на лессовых просадочных грунтах состоит в том, что после окончания строительства, ког да осадка фундаментов стабилизируется, или после рада лет эксп луатации 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 чрез мерные деформации, в результате чего разрушаются конструкции и сооружения становятся непригодными для дальнейшей эксплу атации.
Просадки лессовых 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 называемого начальной просадочной влажностью . Просадочность грунтов часто оценивается показа телем просадочности Л:
П = (^ -е)/(1+ е), |
(15.14) |
где е — коэффициент пористости |
грунта |
природного сложения |
и влажности; eL — коэффициент |
пористости, соответствующий |
влажности на границе текучести wL и определяемый по формуле
где ps и pw— соответственно плотности твердых частиц и воды.
К просадочным относятся лессы и лессовидные грунты, для которых при числе пластичности 0,01 ^/,< 0,1; 0,1 < /р<0,14 и 0,14< < /р<0,22 показатель просадочности П соответственно меньше 0,1; 0,17 и 0,24. Следует отметить, что показатель просадочности явля ется номенклатурным признаком и лишь определяет склонность грунта к просадкам, не позволяя достоверно дать величину возмож ной 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 замачиванйя. 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 ss/ грунта при его зама
чивании, т. е. |
|
J= s+ ssl. |
(15.16) |
Величину осадки s находят теми же методами, что и для непросадочных грунтов. Определение же просадки ssiпредставляет задачу, для решения которой применяются специальные способы, исполь зующие экспериментальные данные о просадочных свойствах грун тов.
Характеристики просадочных свойств. К числу основных харак теристик относятся относительная просадочность esh начальное просадочное давление psh начальная просадочная влажность wst.
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
Рис. 15.8. Осадка фундамента на лес |
Рис. 15.9. Зависимость деформаций (а) |
совом грунте |
и относительной просадочности (б) |
|
лессового, грунта от нормального дав- |
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 hp — высота образца грунта природной влажности, обжатого давлением, равным давлению от сообственного веса грунта ozgи на грузки от фундамента azpили только от веса грунта azgв зависимо сти от того, какие силовые факторы являются причиной просадки; h3i — высота образца после замачивания при том же давлении; hg— высота образца природной влажности, обжатого давлением сч (рис. 15.9, а).
Грунт считается просадочным при условии 6^0,01. Относитель ная просадочность зависит от давления, степени потносги грунта природной влажности и его состава, степени повышения влажности.
Н ачальное просадочное давление pd — это давление, при котором относительная просадочность £,/=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 £,/ от давления р (рис. 15.9, б). Тогда оказывается легко установить для исследован ного грунта значение начального просадочного давления p3t.
Как будет показано ниже, эта характеристика является очень важной при расчете просадок.
За начальную просадочную влажность wd по аналогии при нимается влажность, при которой в условиях заданных давлений относительная просадочность равна 0,01. Лабораторные и полевые способы определения основных характеристик просадочности
подробно рассмотрены в книге В. И. Крутова*, а также содержатся в ГОСТ 23161 — 78**.
При расчете оснований и фундаментов на просадочных грунтах по П предельному состоянию требуется выполнение условия
где У — 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 ( р 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 исключений 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 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
• *Крутов В. И. Основания и фнудаменгы на просадочных грунтах. Киев, 1982.
.♦♦ГОСТ 23161 — 78. Грунты. Метод лабораторного определения характери стик просадочности, М., 1978.
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 Лд в пре делах которой ожидаются просадочные деформации. Для этой цели
строится суммарная |
эпюра изменения по глубине природных |
<Гц и дополнительных |
агр напряжений, а также эпюра начальных |
просадочных давлений ра (рис. 15.10). Просадка учитывается в тех слоях, где выполняется условие
Gzg+Ozp>P3l-
На рис. 15.10 приведены характерные случаи расположения де формируемых зон.
Просадка при замачивании больших площадей определяется
методом элементарного суммирования по формуле |
|
s*i= £ |
ДАд „ |
(15.18) |
J=I |
|
|
где Ед,- — относительная просадочность грунта /-го слоя, соответст вующая давлению -I-<т1р, которая может быть определена по опытной кривой типа, показанного на рис.. 15.9, 6; п — число слоев деформируемой зоны при Бд ,^0,01; — толщина i-го слоя (Л{< ^2 м); kd , — коэффициент, учитывающий некоторую условность методик лабораторных испытаний грунтов и особенность просадки грунтов от нагрузки.
Рис. IS. 10. Схемы к расчету просадок основания:
а — I тип грунтовых условий; б, в, г — II тип грунтовых условий; 1 — эпюра вертикальных напряжений от собственного веса грунта а, - 2 — эпюра суммарных вертикальных напряжений
от внешней нагрузки и собственного веса грунта |
a: =azp+a:g- 3 - изменение с глубиной |
начального просадочного давления рд Л,/ - |
толщина слоя просадочных грунтов |
Для широких фундаментов (Ь^ 12 м) и при определении просад ки от собственного веса грунта принимается ksl—1, для фундамен тов шириной менее 3 м вычисляется по формуле
k*i=0,5+h5(p-P,i.d/Po, |
(15.19) |
где р — среднее давление под подошвой фундамента; pali, — на чальное просадочное давление грунта нго слоя; р0— давление, рав ное 100 кПа.
При 3 м<6<12 м коэффициент k3ti, определяется по линейной 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: h^p, на котором просадка проис ходит от нагрузок, передаваемых фундаментом; h sti g, на котором просадка обусловлена напряжениями от собственного веса грунта. Расчетные значения просадок на этих участках позволяют опреде лить тип грунтовых условий строительной площадки по просадочности:
I тип — просадка грунта происходит в основном в пределах участка Лд р от внешней нагрузки, а просадка от собственного веса (участок fid' g) не превышает 5 см (рис. 15.10, а);
II тип — наряду с просадкой грунта от нагрузки, передаваемой фундаментом, в нижней части просадочной толщи (участок hjtg) 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 II типу просадочности.
Принципы строительства на просадочных грунтах. При проек 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:
