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 ги яям и,
способ гидровиброуплотнения. Возможно устройство фундаментов методом вытрамбовывания котлованов. Гравийные и песчаные по душки устраивают на насыпных грунтах для замены верхних слоев сильносжимамых грунтов либо грунтов с большим содержанием органики (более 0,1). Если ниже слоя насыпных грунтов залегают просадочные лессовые, набухающие или засоленные грунты, то при 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 нижерасположенные прочные грунты.
Особенность взаимодействия свай с неслежавшимися насыпны ми грунтами заключается в том, что при уплотнении насыпи по боковым поверхностям свай возникают силы нагружающего трения Ffn [см. формлу (15.26)], обусловленные весом нависающего на свае насыпного грунта. Дополнительную нагрузку на сваю в этом случае рекомендуется определять по формуле
где у — удельный вес насыпного грунта; Щ — толщина слоя насып ного грунта; А{— площадь нависающего на сваю грунта, равная для одиночной сваи Af =it(0,\5H})2, средней сваи в кусте Af = l2 (/ — расстояние, между сваями); то же, крайней Af — I(0,5/+ 0,15#/); то же, угловой Л/=0,25я (0,5/4-0,15#/)2, свай в ленточном фндаменте А/= 0,31Н}.
В отдельных случаях применяют другие способы устройства глубоких фундаментов.
Вышеуказанными мерами не всегда удается обеспечить допусти мость осадок сооружений по величине или по степени их не равномерности. Тогда используют конструктивные мероприятия,
создающие условия для нормальной эксплуатации здания и соору жений. В их число обычно входят разрезка зданий и фундаментов осадочными швами, устройство железобетонных поясов и армиро ванных швов, применение монолитных и сборно-монолитных фун даментов. Применяют также конструктивные решения, позволя ющие в короткие сроки восстановить при неравномерных осадках нормальную эксплуатацию кранов, лифтов и другого оборудова-
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 основаниями для любых сооружений. Это представление связано с тем, что монолитный скальный грунт или отдельные куски скаль ной породы обладают высокой прочностью .и ничтожной сжима емостью, соизмеримыми с характеристиками бетона или железобе тона. Однако уже классификация, приведенная на рис. 1.9, свиде тельствует о большой изменчивости строения, а следовательно, и свойств скальных грунтов.
Верхняя часть земной коры в результате процессов выветрива ния представляет постепенный переход от дисперсной зоны, сложен ной глинистыми грунтами с возрастающим по глубине содержа нием щебня, к обломочной зоне, переходящей к низу в глыбо вую и далее — в трещиноватую скальную породу (рис. 16.1). Таким образом, основанием. фундамента в этих условиях может явить ся как щебенистый глинистый грунт (первая зона), так и обло* мочный или трещиноватый скальный грунт (вторая или третья зона).
К элю виальны м грунтам относят продукты выветривания коренных скальных пород, остающиеся на месте. Переход от элювиальных грунтов к скальным породам осуществляется посте пенно, их минеральный состав определяется составом коренных пород, а содержание крупных фракций значительно увеличивается
сглубиной.
Р.Гудман выделяет следующие характерные типы контакта поверхности скальных и рыхлых горных пород (рис. 16.2). Случай
на рис. 16.2, а является идеаль ным, когда кровля скальных по род относительно горизонтальна, а породы слабо трещиноваты. В этом случае опирание фундаме нта на скальное основание наибо лее целесообразно. В случае, рас смотренном на рис. 16.2, 6, име ет место развитая толща элюви альных грунтов. Поверхность скалы может быть выражена не четко, при этом свойства грунтов будут заметно изменяться как по глубине, так и в горизонтальном направленны, что затрудняет вы бор отметки подошвы фундамен та (см. также рис. 2.4, в). Кар стовые породы, представленные на рис. 16.2, в, обладают особыми свойствами. Строительство в этих условиях будет рассмотрено в § 16.2. Достаточно часто встречает ся напластование различных по
жесткости пород (например, пере слаивание жестких песчаников
И МЯГКИХ аргИЛЛИТОВу, представ- • ленное на рис. 16.2, г. Здесь уже
основание обладает анизотропией
НазВаиие |
Принципиальный |
ЗОН |
разрез |
I . Дисперсная
1полное хими ческое преобразо
вание исходных nopoi)
й . Обпомочнаа
(срцзическая
дезинтеграция,
частичное
'химическое разл ож ение)
Ш . Трещинная
(раздробление
массива и его разложение по крупным
трещ инам) \ ' \ V
^>ис- Упрощенная схема ннже- нерно-геологического расчленения
коры выветривания (по Г. С. Золотареву)
свойств, причем передача нагрузки от фундамента на жесткие слои породы малой толщины может вызвать их изгиб при1действии местной нагрузки. Разломы (крупные тектонические трещины) в ос новании (рис. 16.2, д) могут явиться причиной значительных нерав номерных деформаций из-за различного залегания кровли породы и уровня подземных вод по обе стороны разлома, повышенной трещиноватости массива вблизи разлома и возможных подвижек по его оси. Наконец, неоднородная трещиноватость различных участ ков скального массива (рис. 16.2, ё) также может явиться причиной неравномерных деформаций сооружения вследствие смыкания тре щин или взаимного проскальзывания по ним отдельных блоков породы.
В зависимости от минерального состава скальные н 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
Рис. 16.2. Характерные типы контакта кровли скальных и подошвы рыхлых грунтов (по Р. Гудману):
а — рыхлые отложения на коренных породах; б — контакт элювия со скальным грунтом; в — карстовые грунты; г — переслаивание жестких и мягких скальных грунтов; д — зона тектоничес кого разлома; е — неоднородная трещиноватость скальных грунтов
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 взысканий 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 р,.
Количественная оценка степени выветрелости производится по коэффициенту выветрелости kVi который определяется по фор
где Iv =(fir—p)lp — показатель выветрелости.
Классификация скальных и элювиальных грунтов по степени выветрелост и в соответствии с их классификацией по прочности (см.
§2.2) приведена в табл. 16.1.
Таб л и ц а 16.1. Классификации грунтов по к„ и Re
Виды грунтов |
Коэффициент выветрелости k v |
Прочность |
по степени выветрелости |
магматические и мега- |
осадочные сцементи |
сжатие R & МПа |
|
' морфичеоие породы |
рованные породы |
|
Невыветрелые |
1 |
1 |
50 |
Слабовывегрелые |
1 >Ai,r>0,9 |
|
15<Дс<50 |
Вывегрелые |
0,9>fcur>0,8 |
0,95>*„^0,85 |
5<Лс<15 |
Снльновыветрелые |
<0,8 |
<0,85 |
К Д с< 5 |
(рухляк) |
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 расче 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 опре делять как для свай-стоек в соответствии с правилами, приведен ными 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 мелкошпуровыми 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 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, промывют водой под давлением и заделывают цементно-песчаным раствором на глу бину, равную 4...5 ширинам их раскрытия. Более значительные ослабленные зоны, обычно приуроченные к местам пересечения или сгущения трещин, расчищают и заполняют тощим бетоном с уплотнением.
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 наг рузок от сооружения. В случае больших выдергивающих нагру зок устраивают выпуски анкеров из фундамента, заделываемых
с раскрытием, 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 НТ.ПТЦГД 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 на элювиальных грунтах. При проектировании оснований и фундаментов на элювиальных грунтах следует учи тывать их значительную неоднородность по глубине и в плане, наличие грунтов с большим диапазоном изменения прочностных и деформационных свойств (скальных разной степени выветрелости и различных 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 водонасыщении. Иногда элювиальные пылеватые пески проявляют просадочные свойства. Глинистый элювий при замачивании отходами технологического производства способен набухать.
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 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
*Федоров В. И. Прогноз прочности и сжимаемости оснований из обломочно глинистых грунтов. М., 1988.
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).
Расчеты по предельным состояниям выполняют обычными ме тодами, рассмотренными в гл. 6 и 7. Важно отметить, что при определении осадок фундаментов на элювиальных грунтах мощ ность сжимаемой толщи устанавливается в зависимости от грану лометрического состава грунта. Рекомендации для определения этой величины приведены в табл. 16.2.
Т аб л и ц а 16:2. Определит глубины сжимаемой толщи
Виды грунтов |
для |
|
сжимаемой толщи |
Глинистые и песчаные (содержание частиц крупнее 2 мм |
|
до 25% по массе) |
од |
Глинистые и песчаные, дресвяные, глинистые щебенис |
|
тые (содержание частиц крупнее 2 мм от 25 до 50% по |
0,35 |
массе) |
Дресвяные |
0,5 |
Щебенисто-дресвяные |
0,65 |
Щебенистые |
0,8 |
Глыбовые |
1,0 |
Примечание. агр—напряжение на глубине г от уровня подошвы фундамента от допол нительного давления, azg— то же, от природного давления.
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 й 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.
480
I — неправильное реше ние; 2 — правильное ре шение; 3 — расчистка и заполнение щебнем, гра вием с уплотнением или
цементацией
Рис. 16.4. Фундаменты на крупноглыбовых элюви альных грунтах:
Если здание или сооружение расположено большей частью на скальном, полускальном или глыбощебенистом грунте, целесоо бразно производить частичную выборку под оставшейся частью элювиальных песчаных или пылевато-глинистых грунтов с устрой ством уплотненной распределительной подушки из скального щеб ня, крупнообломочного невыветрелого или слабовыветрелого гру
нта.
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 определить разме ры ослабленных зон и сжимаемость запо лняющих их материалов в пределах ак тивной зоны основания, вычислить осад ки и убедиться, что они не превышают предельных значений. При формальном выполнении условия (6.24) следует иметь в виду, что внецентренно нагруженные отдельные блоки скальных пород, на ко торые опирается фундамент, могут пере меститься неравномерно, что приведет к образованию крена фундамента (рис. 16.4). Когда такая ситуация обнаружива ется при вскрытии котлована, размер фу ндамента следует увеличить, обеспечив передачу нагрузки на соседние блоки!
