ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4

4.1. Освоение практических методов расчета оснований на структурнонеустойчивых грунтах, в том числе на преобразованных основаниях

Среди задач фундаментостроения особое внимание уделяется проектированию оснований и фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях. Согласно СП 22.13330.2016

ксложным инженерно-геологическим условиям относятся грунты:

–просадочные;

–набухающие;

–органоминеральные и органические;

–элювиальные;

–пучинистые;

–засоленные;

–насыпные и намывные.

Всвязи с ограниченным объемом учебно-методического пособия рассмотреть всесложные инженерно-геологические условия не представляется возможным. Поэтому подробно рассмотрим строительство зданий и сооружений на просадочных грунтах.

Среди пылевато-глинистых грунтов лессовые выделяются в самостоятельный тип как грунты, обладающие специфическими неблагоприятными свойствами. Для них характерно содержание пылеватых частиц более 50 %, макропористая структура, а поры могут быть частично или полностью заполнены легкорастворимыми, среднерастворимыми и труднорастворимыми минералами и горными породами.

Взасушливых районах лессовые грунты обладают высокой структурной прочностью. Так, вертикальные откосы высотой 10 м и более не нуждаются в дополнительных мероприятиях для обеспечения их устойчивости, тогда как для обычных пылевато-глинистых грунтов вертикальный откос более 3 м может быть неустойчивым. Структурная прочность лессовых грунтов объясняется цементационным сцеплением между минеральными частицами из-за наличия соляных образований в крупных порах. При замачивании такого грунта происходит частичное или полное растворение соляных образований, и он становится макропористым, т.е. недоуплотненным. В результате этого происходит уплотнение грунта под его собственным весом. Такое уплотнение называется просадкой. Характерной особенностью лессовых (просадочных) грунтов является высокий коэффициент пористости (е ˃ 0,8), которыйможет достигать значений более 1,2, низкая природная влажность (W = 0,1–0,2), а значит, и невысокая степень

влажности (Sr ˂ 0,5).

Просадка грунта — сложный физико-химический процесс из-за отсутствия четкой и общепризнанной теории, объясняющей процесс и условия образования лессовых грунтов.

Следует иметь в виду, что необходимыми условиями для развития просадочного процесса

влессовом массиве являются:

–наличие соответствующей нагрузки (от собственного веса грунта и дополнительного давления под подошвой фундамента, т.е. σzg + σzр);

–наличие разного вида замачивания грунтового массива.

Успешное проектирование фундаментов на просадочных грунтах зависитот того, насколько правильно мы понимаем сложный механизм развития просадочных деформаций, насколько точно определим мощность просадочной толщи (которая часто достигает 15 м). Строительство на просадочных грунтах осложняется также тем, что просадки могут составлять 0,1–0,2 м. Ведение орошаемого земледелия и устройство искусственного водоема приводит к частому подъему УГВ. Тем не менее в этих условиях ведутся широкие работы (не всегда успешно с точки зрения решения вопросов фундаментостроения) на различного вида промышленных и жилых площадях строительства. Это сталовозможным благодаря проведению многочисленных исследований, позволивших установить основные особенности, сущность и природу просадочных грунтов.

30

4.2.Особенность ведения инженерно-изыскательских работ

врайонах распространения просадочных грунтов

Для грунтов, не обладающих специфическими свойствами в результате инженерно-гео- логических изысканий, определяются:

а) физические характеристики:

–удельный вес грунта природной влажности γ, кН/м3;

–удельный вес твердых частиц грунта γs, кН/м3;

–природная влажность W, д.е. или %, а для пылевато-глинистых грунтов (супесь,

суглинок, глина) — еще и влажность на границе раскатывания Wр и на границе текучести WL);

б) прочностные характеристики:

–удельное сцепление грунта СI и СII, кПа;

–углы внутреннего трения φI и φII, град.;

в) деформационная характеристика — модуль деформации Е, МПа.

Для просадочных грунтов, учитывая их специфику, помимо указанных, определяются такие же характеристики, но еще и в водонасыщенном состоянии, а также дополнительные:

– относительная просадочность εsl, д.е.;

– начальное просадочное давление Рsl, кПа;

– начальная просадочная влажность W , д.е.;

– влажность при полном водонасыщенииε sl грунтов W , д.е.

Относительную просадочность необходимо знатьsatдля того, чтобы определить:

– величину просадки ;

–тип грунтовых условий по просадочности;

–мощность просадочной толщи.

Относительная просадочность лессовых грунтов определяется, как правило, в компрессионных приборах на образцах ненарушенной структуры. При этом может быть испытан один образец грунта с замачиванием его на конечной ступени нагрузки, или испытываются два образца с одинаковой степенью плотности, но один природной влажности, а другой — в водонасыщенном состоянии. Следует иметь в виду, что при определении относительной просадочности конечные результаты могут отличаться в1,5–3,0 раза. Это объясняется главным образом неоднородностью грунтовой толщи и малыми размерами образцов.

Условно считают, что приεsl ≥ 0,01 грунт является просадочным. При небольших давлениях коэффициент относительной просадочности обычно меньше 0,01, и грунт можно считать непросадочным. Поэтому важно установить то минимальное давление, при котором грунт становится просадочным, т.е.εsl = 0,01. Такое давление называется начальным просадочным Psl. Знать величину начального просадочного давления очень важно, так как оно широко используется в практике проектирования и строительства для следующих целей:

–назначения расчетного сопротивления грунта (расчетного давления на просадочный грунт), при котором просадка его будет отсутствовать;

–определения величины деформированной зоны, т.е. зоны, в пределах которой происходит просадка грунта от нагрузки фундамента;

–назначения необходимой глубины уплотнения просадочных грунтов или толщины грунтовой подушки для устранения просадочности от нагрузки фундамента;

–определения глубины, начиная с которой происходит просадка грунта от собственного веса. Просадочные явления в грунте начинают развиваться не только с ростом давления, но и

свозрастанием его влажности. Причем с повышением влажности относительная просадочность возрастает до определенного предела, а затем, несмотря на увеличение влажности, снижается.

31

Влажность, при которой достигается наибольшая относительная просадочность, называется оптимальной. Влажность, прикоторой лессовые грунты, находящие в напряженном состоянии от внешней нагрузки фундаментов или собственного веса, начинают проявлять просадочные свойства, т.е. εsl = 0,01, называется начальной просадочной влажностью Wsl (Wпр). Начальная просадочная влажность определяется либо в лабораторных условиях по результатамкомпрессионных испытаний, либо в полевых условиях по результатам испытаний грунтов штампами.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что объем изыскательских работ на просадочных грунтах намного больше, чем на обычных грунтах.

4.3. Специфические особенности проектирования оснований и фундаментов на просадочных грунтах

Известно, что проектные работы независимо от грунтовых условий начинаются с выбора рационального варианта системы основание – фундамент (вариантное проектирование).

Вид и особенность грунтовой толщи не меняют принципиального порядка проектирования оснований и фундаментов, но могут резко изменить объем и характер расчетов, подход к выбору вариантов. Поэтому представляется целесообразным обратить внимание на особенности каждого из этапов проектирования оснований и фундаментов на просадочных грунтах:

а) инженерно-геологические изыскания — в отличие от обычных грунтов определяются прочностные и деформационные характеристики грунтов при естественной влажности и в замоченном состоянии;

б) анализ грунтовых условий — кроме обычных выводов о возможности использования того или иного грунта в качествеоснования, определяется тип грунтовых условий по просадочности, оценивается возможность и степень ухудшения грунтов в основании вследствие того или иного вида замачивания, определяется расчетное сопротивление грунта в зависимости от вида замачивания, изменения влажности и применимого мероприятия по устранению просадочности;

в) по результатам анализа грунтовой толщи выбирается принципиальное направление строительства подземной части здания или сооружения, т.е. устанавливается, что более целесообразно — устранить просадочность (частично или полностью) или прорезать толщу фундаментами глубокого заложения, в том числе свайными, или защитить здание конструктивными и водозащитными мероприятиями;

г) проводится расчет основания по деформациям на просадочных грунтах (определяются величины просадок при различных нагрузках и видах замачивания Ssl);

д) определяются осадки максимально и минимально нагруженных рядом стоящих фундаментов — Smin и Smax;

варианты строительства подземной части здания или сооружения (выбор варианта системы основание – фундамент), необходимо исследовать характер проявления просадка по глубине в зависимости от величины напряжений бытовых σzg и дополнительных σzр.

В общем случае в просадочной толще можно выделить три характерные зоны:

– I просадочная зона: распространяется от подошвы фундамента до глубины, на которой выполняется условие σzg + σzр = ;

–нейтральная (или пассивная) зона;

–II просадочная зона: начинается с глубины, где σzg > Psl, и заканчивается нижней границей просадочной толщи (или зоной капиллярного поднятия и водонасыщения).

32

Возможны и частные случаи:

–при небольшой толщине слоя просадочных грунтов нейтральная и II просадочная зоны могут отсутствовать;

–при небольших размерах фундаментов и ограниченной толщине слоя просадочных грунтов II просадочная зона может отсутствовать;

–при больших размерах фундаментов и значительных нагрузках I и II просадочные зоны сливаются (т.е. отсутствует нейтральная зона);

–при небольших нагрузках на фундамент I просадочная зона может отсутствовать.

В связи с изложенным можно сформулировать грунтовые условия по типу просадочности: I тип просадочности — просадка грунта происходит в основном от нагрузки фундаментов (т.е. в пределах I просадочной зоны), а просадка от собственного веса грунта (т.е. во II про-

садочной зоне) или отсутствует, или не превышает 5 см;

II тип просадочности — помимо просадки от нагрузки фундаментов (Iпросадочная зона) возможны просадки от собственного веса грунта (II просадочная зона) более 5 см. Общая величина просадки в этом случае может быть весьма значительной.

4.4. Особенность распространения воды в грунтовом массиве, виды замачивания и характер его влияния на величину общей осадки фундаментов

Под общей осадкой фундамента следует понимать осадку за счет уменьшения объема пор в пределах сжимаемой толщи (расстояние от подошвы фундамента до отметки В.С) и просадки части грунтового массива при его замачивании.

Исходя из географических и природных особенностей района строительства, назначения проектируемого здания или сооружения, принадлежности его к тому или иному технологическому процессу, устанавливается возможность замачивания и повышения влажности грунтов, которые могут привести к просадочным явлениям. Основными источниками замачивания и повышения влажности просадочных грунтов в основании являются:

–утечки воды из коммуникаций (водопровода, канализации, теплофикации) и технологических устройств (резервуаров, бассейнов, моечных площадок и т.д.);

–атмосферные осадки, фильтрация воды из различных каналов и водоемов;

–изменение условий аэрации при застройке территории (затруднение естественной миграции воздуха из-за наличия асфальтных покрытий);

–повышение уровня грунтовых вод.

При этом возможны следующие виды замачивания, которые должны учитываться при анализе условий деформируемости проектируемого здания или сооружения:

–местное замачивание сверху — оно носит случайный характер и происходит вследствие утечки воды из коммуникаций или технологических емкостей, нарушения отмосток и т.д. При таком замачивании просадка грунта проявляется на ограниченной площади, как правило,

впределах верхней толщи грунтового массива;

–интенсивное замачивание грунтовой толщи сверху — оно происходит в результате длительной утечки технологической воды. При этом замачивается вся просадочная толща, а просадочные явления реализуются на значительной площади как от собственного веса грунта, так и от давления фундамента;

–подъем УГВ вследствие утечек из соседних сооружений технологических или сточных вод, из устраиваемых рядом водохранилищ, из-за орошения соседних территорий. Такое замачивание осуществляется снизу и вызывает просадку нижних слоев грунта от собственного веса;

–медленное повышение влажности — оно возможно, во-первых, если толща сложена

грунтами со степенью влажности Sr < 0,5, а во-вторых, если значительная площадь рассматриваемой территории заасфальтирована или на ней находятся насыпи, т.е. если нарушаются природные условия испарения грунтовой влаги в зоне аэрации.

33

На рисунке ниже показан характер увлажнения массива при интенсивном замачивании.

Рисунок. Характер увлажнения массива при интенсивном замачивании:

а — область замачивания грунтового массива при горизонтальном залегании водоупорного слоя; б — область замачивания грунтового массива при наклонном залегании водоупорного слоя; 1 — мульда (проседание поверхности в результате просадки грунта); 2 — плоскость, ограничивающая просадочную толщу; 3 — просадочная толща грунта; 4 — кровля водоупорного слоя грунта

При анализе влияния замачивания на деформацию проектируемого здания или сооружения от неравномерных осадок важно уяснить размеры и форму зоны увлажнения. Для этого следует иметь в виду, что, проникая в лессовый грунт сверху, вода распространяется и перемещается в толще как сверху вниз, так и в стороны от источников увлажнения. Это приводит к тому, что при местном замачивании в грунте образуется увлажненная зона, имеющая в поперечном сечении форму, близкую к усеченному эллипсу, а при интенсивном замачивании — форму, близкую к трапеции. Так как максимальные просадки имеют место при интенсивном и местном замачивании сверху, то наиболее опасными для здания или сооружения являются именно эти случаи. При наличии точечного источника замачивания происходит местное замачивание, контур которого в вертикальной плоскости представляет собой или усеченную окружность, или овал с большими размерами либо по горизонтали, либо по вертикали в зависимости от физических свойств грунтового массива.

При таком замачивании просадочные явления могут развиваться в основании одного или нескольких фундаментов каркасного здания, для бескаркасного— в пределах площади какой-то части ленточного или плитного фундаментов. В этом случае происходит резкое увеличение относительной разности осадок (или прогиб какой-то части ленточного или плитного фунда-

ментов) в ряде случаев, превышающих предельно допустимую величину ∆LS .

При больших объемах инфильтрата воды в грунтовую толщу происходит аварийное замачивание основания. В таком случае просадочные явления реализуются на большой площади и на большую глубину. При этом выложены два случая замачивания:

– при наличии в грунтовом массиве горизонтально залегающего водоупорного слоя;

– при наличии в грунтовом массиве водоупорного слоя, залегающего под углом к горизонтальной плоскости.

При таком виде замачивания происходит более или менее равномерное опускание грунта в центральной части мульды и неравномерное— в краевых частях мульды. Это может привести к тому, что будут превышены как абсолютные осадки фундаментов (Si > Su), так и относи-

тельная разность осадок некоторых фундаментов ∆S > ∆S в пределах участка мульды.

L L u

Аварийное замачивание возможно за пределами здания. Тогда для части фундаментов по краевым осям здания также могут не выполняться оба указанных требования.

34

Если на поверхности грунтового массива или по дну котлована устраивается экран из уплотненного грунта, то частично инфильтрат воды через этот грунт создает так называемое замачивание через экран, при котором величина просадки уменьшается в зависимости от качества уплотнения. Кроме того, при устройстве экрана, особенно при асфальтировании больших площадей на поверхности грунтового массива, может возникнуть поднятие грунтовых вод из-за нарушения водообменных процессов в зоне аэрации (испарение, инфильтрация, конденсация водяных паров и т.д.). При поднятии грунтовых вод могут развиваться просадочные явления

внижней части просадочного массива (замачивание снизу).

4.5.Выбор мероприятий, уменьшающих величину просадки грунта,

итипа фундамента в зависимости от типа грунтовых условий по просадочности

Анализ грунтового массива в обычных инженерно-геологических условиях сводится к выбору грунта с надежными строительными характеристиками:

–показатель текучести IL < 0,5;

–коэффициент пористости е < 0,8;

–удельный вес сухого грунта γd >16 кН/м3;

–модуль деформации Е >10 МПа.

В случае проектирований оснований и фундаментов на просадочных грунтах при анализе грунтового массива, кроме указанных выше требований, необходимо определить тип грунтовых условий по просадочности, так как от этого зависит выбор рекомендованных нормативными документами мероприятий по защите зданий и сооружений, если возможно замачивание грунтов основания:

–устранение просадочных свойств грунтов в пределах всей или части просадочной толщи;

–прорезка просадочной толщи фундаментами глубокого заложения, в том числесвайными;

–разработка комплекса конструктивных и водозащитных мероприятий.

Кроме того, необходимо определить мощность просадочной толщи hsl и величину начального просадочного давления Рsl, которое определяется, как правило, через каждые 2 м грунтового массива.

Устранение просадочности достигается уплотнением (поверхностным или глубинным) в зависимости от типа просадочности, частичной или полной заменой просадочного грунта, устройством фундаментов в вытрамбованных котлованах, устройством фундаментов, площадь подошвы которых позволяет обеспечить выполнение условия (σzg + σzp0) ≤ Psl.

Прорезка грунтовой толщи осуществляется, как правило, устройством свайных фундаментов из забивных, буровых или набивных свай. При этом внешняя нагрузка передается на подстилающие просадочные грунты.

Выполнение комплекса водозащитных и конструктивных мероприятий направлено на частичное снижение величины просадки грунта и приспособление конструкции здания или сооружения к возможным просадочным явлениям. С этой целью:

–осуществляется уплотнение грунтов в пределах сжимаемой толщи для создания маловодопроницаемого экрана, который препятствует проникновению воды в нижлежащие грунтовые слои;

–разрабатываются водозащитные мероприятия, направленные на снижение возможности замачивания грунтов. К этим мероприятиям относятся: компоновка генплана, соответствующая планировка застраиваемой территории, устройство под зданиями и сооружениями маловодопроницаемых экранов, качественная засыпка пазух котлована, устройство вокруг здания более широких водонепроницаемых отмосток (не менее 1,5 м — для зданий высотой до 18 м и не менее 2,0 м — для зданий высотой более 18 м);

35

– выполняются конструктивные мероприятия, направленные на повышение прочности и общей пространственной жесткости зданий и сооружений, увеличение их податливости, обеспечение нормальной эксплуатации их при возможных неравномерных просадках.

Прочность и жесткость здания и сооружения обеспечивается разрезкой его осадочными швами; устройством железобетонных поясов по фундаментным блокам, на нулевой отметке и между этажами. Для каркасных зданий — устройством связей-распорок по аналогии расчета таких распорок для зданий и сооружений, возводимых на подрабатываемых территориях. Расстояние между швами назначается равным 20–40 м — для жилых, гражданских и промышленных многоэтажных зданий и 40–80 м — для промышленных многоэтажных. Ширина швов назначается из расчета на горизонтальные перемещения и наклоны отдельных отсеков при просадках грунтов.

Податливость зданий и сооружений обеспечивается гибкими связями между отдельными элементами конструкций, повышением площади опирания отдельных элементов (исходя из величин просадок и горизонтальных перемещений грунтов), увеличением устойчивости отдельных элементов конструкции.

Резюмируя вышеизложенное, можно сделать такие выводы. Если грунтовая толща относится к первому типу просадочности, то наиболее целесообразны следующие мероприятия:

– уплотнение грунта основания тяжелыми трамбовками или виброкатками;

– устройство грунтовых или песчаных подушек;

– устройство фундаментов в вытрамбованных котлованах;

– применение свайных фундаментов из забивных (или других свай в зависимости от величины внешней нагрузки). При этом основанием подошвы условного грунтосвайного (фундамента должен быть непросадочный) грунт с надежными строительными характеристиками

e < 0,8; γd > 16 кН/м3; E > 10–15 МПа ;

–закрепление грунтов в зоне влияния нагрузок на фундаменты методом однорастворной силикатизации или цементации.

Если грунтовая толща относится ко второму типу по просадочности, то прежде всего необходимо провести мероприятия по переводу ее в первый тип просадочности, а затем выполнить указанные выше мероприятия. Перевод грунтовой толщи из II в I тип просадочности можно осуществить, применяя:

–глубинное уплотнение грунтовыми, песчаными или известковыми сваями— происходит выпор части грунта на глубину до 1,5–2,0 м. Такой грунт необходимо либо доуплотнить тяжелыми трамбовками или виброштампом, либо срезать до проектной отметки дна котлована;

– предварительное замачивание. При этом устраняется просадочность в зоне, где σ ≥ P .

( ) zg sl

В дальнейшем применяются мероприятия по устранению просадочности в зоне влияния фундамента, т.е. там, где σzg + σzp > Psl;

– прорезка свайными фундаментами, длина которых, как правило, превышает 15–20 м. При этом необходимо учесть развитие на некоторой части ствола сваи негативного (отрицательного) трения, которое уменьшает несущую способность сваи. Кроме того, на величину негативного трения увеличивается внешняя нагрузка на фундамент (так называемое нагружающее трение).

36