15.3. Фундаменты на лессовых просадочных грунтах

Трудность строительства сооружений на лессовых просадочных грунтах состоит в том, что после окончания строительства, когда осадка фундаментов стабилизируется, или после ряда лет эксплу­атации сооружений при обводнении грунтов в основании проис­ходят 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 чрезмерные деформации, в результате чего разрушаются конструкции и соору­жения становятся непригодными для дальнейшей эксплуатации.

Просадки лессовых грунтов возникают при одновременном воз­действии двух факторов: нагрузок от сооружений и собственного веса грунтовой просадочной толщи и замачивания при подъеме горизонта подземных вод или за счет внешних источников (атмос­ферные осадки, промышленные сбросы, утечки и т. п.).

В условиях естественного залегания лессовые грунты обычно имеют влажность 0,08...0,16 при степени влажности S_r < 0,5 и прояв­ляют просадочные свойства только при достижении влажностью некоторого предела w_sl , называемого начальной просадочной влажностью. Просадочность грунтов часто оценивается показа­телем просадочности П:

П = (е_L – е) / (1+ е) (15.14)

где е - коэффициент пористости грунта природного сложения и влажности; е_L - коэффициент пористости, соответствующий вла­жности на границе текучести w_L и определяемый по формуле

е_L = w_L (_s /_w) (15.15)

где _s и _w - соответственно плотности твердых частиц и воды.

К просадочным относятся лессы и лессовидные грунты, для которых при числе пластичности 0,01< I_p< 0,l; 0,1< I_p< 0,l4 и 0,14< I_p< 0,22 показатель просадочности П соответственно мень­ше 0,1; 0,17 и 0,24. Следует отметить, что показатель просадочности является номенклатурным признаком и лишь определяет склон­ность грунта к просадкам, не позволяя достоверно дать величину возможной просадочности грунта.

Рис. 15.8. Осадка фундамента на лессовом грунте

Явление просадки можно наглядно проследить на примере дефо­рмаций 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 вла­жности. Участок бв соответствует полной просадке грунта под на­грузкой после замачивания. 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 s_sl грунта при его зама­чивании, т. е.

s' = s+ s_sl (15.16)

Величину осадки s находят теми же методами, что и для непросадочных грунтов. Определение же просадки s_sl представляет зада­чу, для решения которой применяются специальные способы, использующие экспериментальные данные о просадочных свойствах грунтов.

Характеристики просадочных свойств. К числу основных харак­теристик относятся относительная просадочность _sl, начальное просадочное давление p_sl, начальная просадочная влажность w_sl.

Относительная просадочность определяется по результа­там испытаний грунтов в компрессионных приборах. Одним из методов испытаний является уплотнение грунта в компрессионном приборе при различных величинах уплотняющих давлении р с по­следующим замачиванием образцов и измерением величины про­садки.

Рис. 15.9. Зависимость деформаций (а) и относительной просадочности (б) лессового грунта от нормального давления

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 замачива­ние грунта. Вертикальный участок бв соответствует просадке замоченного образца при постоянном давлении, участок вг - осадке 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 относитель­ное сжатие грунта при заданных давлениях и степени повышения влажности и определяется из результатов испытаний по формуле

_sl = (h_p – h_sl) / h_g, (15.17)

где h_g - высота образца грунта природной влажности, обжатого давлением, равным давлению от собственного веса грунта _zg и на­грузки от фундамента _zp или только от веса грунта _zg в зависимо­сти от того, какие силовые факторы являются причиной просадки;

h_sl - высота образца после замачивания при том же давлении; h_g - высота образца природной влажности, обжатого давлением _zg (рис. 15.9,а).

Грунт считается просадочным при условии _sl  0,01. Относитель­ная просадочность зависит от давления, степени плотности грунта природной влажности и его состава, степени повышения влажности.

Начальное просадочное давление p_sl - это давление, при котором относительная просадочность _sl = 0,01, т. е. при котором грунт считается просадочным. Если провести компрессионные ис­пытания лессового грунта с замачиванием образцов при различных нагрузках, можно получить график зависимости _sl от давления р (рис. 15.9, 6). Тогда оказывается легко установить для исследован­ного грунта значение начального просадочного давления p_sl.

Как будет показано ниже, эта характеристика является также очень важной при расчете просадок.

За начальную просадочную влажность w_sl по аналогии принима­ется 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 II предельному состоянию требуется выполнение условия

s'  s_u

где s' — полная деформация основания, определяемая по формуле (15.16); s_u - предельно допустимая деформация для проектируемо­го сооружения.

Давления под подошвой фундаментов р при этом не должны превышать расчетного сопротивления грунтов R, вычисляемого по формуле (9.5) с использованием полученных экспериментально ха­рактеристик прочности лессовых грунтов  и с. В зависимости от предполагаемого состояния грунтов по влажности эти характери­стики определяются для грунтов природной влажности или в водонасыщенных образцах после их просадки. Следует иметь в виду, что замачивание лессовых просадочных грунтов приводит к значитель­ному снижению прочностных характеристик, а следовательно, к су­щественному уменьшению их расчетного сопротивления и несущей способности. За счет разрушения структурных связей особенно рез­ко (в 2...10 раз) снижается сцепление при относительно небольшом (в 1,05... 1,2 раза) уменьшении угла внутреннего трения. Если пред­полагается уплотнение или закрепление грунтов, расчетное сопроти­вление R определяется с использованием характеристик  и с, полученных при испытании уплотненных или закрепленных грун­тов.

Расчет просадочных деформаций выполняется в тех случаях, ког­да не предусматриваются мероприятия по устранению просадочных свойств грунтов или когда эти свойства устраняются лишь частич­но, а предпринимаемые водозащитные мероприятия недостаточны для исключения вероятности замачивания грунтов просадочной толщи.

Важно установить возможные источники замачивания и области основания, в пределах которых грунты могут перейти в водонасыщенное состояние. На основании такого прогноза назначаются рас­четные зоны, для которых оцениваются возможность просадочных явлений и величина просадки. Принципиально рассматриваются следующие схемы: замачивание значительных площадей при ин­фильтрации влаги с поверхности (например, атмосферные осадки и т. п.) или при подъеме уровня подземных вод; локальное замачи­вание грунтов непосредственно под фундаментом или на некоторой глубине от различных источников (утечки из лотков, трубопрово­дов, коллекторов, накопительных прудов и т. п.).

После того как установлены источник и зона возможного зама­чивания, определяются размеры деформируемой зоны h_sl, в преде­лах которой ожидаются просадочные деформации. Для этой цели строится суммарная эпюра изменения по глубине природных _zg и дополнительных _zp, напряжений, а также эпюра начальных просадочных давлений p_sl (рис. 15.10).

Рис. 15.10. 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 _zg; 2 — эпюра суммар­ных вертикальных напряжений от внешней нагрузкой собственного веса грунта _z = _zp + _zg; 3 — изменение с глубиной начального просадочного давления p_sl; H_sl — толщина слоя просадочных грунтов