15.4. Фундаменты на набухающих грунтах

Многие виды пылевато-глинистых грунтов твердой и полутвер­дой консистенции при замачивании водой и особенно растворами серной кислоты увеличиваются в объеме. Такие грунты называют набухающими. В процессе набухания происходит подъем поверх­ности грунта, что приводит к деформациям, обычно неравномер­ным, а иногда и к разрушению зданий и сооружений. Кроме того, при набухании грунты способны оказывать дополнительное боко­вое давление на ограждающие конструкции, причем при стесненных деформациях это давление может достигать больших значений (по опытным данным, более 0,2 МПа). При снижении влажности набу­хающие грунты дают усадку, уменьшая свой объем.

Поскольку набухающие грунты обладают особыми свойствами, для них кроме обычных физико-механических характеристик опре­деляются специальные характеристики набухания и усадки. Наибо­лее часто в расчетах используют следующие показатели.

Относительное набухание _sw исследуется в компрессионных приборах по различным методикам. Часто используемый метод одной кривой заключается в том, что образец грунта природной влажности нагружается давлением р, после чего производят замачи­вание образца и измеряют абсолютную величину набухания (уча­сток кривой аб на рис. 15.11, а).

Рис. 15.11. Зависимости деформаций набухающего грунта (а) и относительного набухания (б) от нормального давления

Относительное набухание определя­ют при различных уплотняющих давлениях р и вычисляют по формуле

_sw = (h'- h) / h (15.20)

где h — высота образца грунта природного состояния, обжатого давлением р; h' — то же, после набухания образца.

Характерная зависимость относительного набухания хвалынских глин от давления приведена на рис. 15.11, б.

По относительному на­буханию _sw , определяемо­му для необжатого образ­ца, т. е. при р = 0, грунты классифицируются следу­ющим образом: ненабуха­ющие при  < 0,04; слабо­набухающие при 0,04 < _sw  0,08; средненабухающие при 0,08 < _sw  0,12; сильно­набухающие при _sw > 0,12.

Давление набухания p_sw соответствует давлению, возникающему при замачива­нии грунта в замкнутом объеме, т. е. при отсутствии деформаций.

Ответственным этапом при про­ектировании фундаментов на набу­хающих грунтах является расчетный прогноз деформаций оснований. На основе этих расчетов определяют абсолютные значения подъема от­дельных фундаментов и их относи­тельные вертикальные смещения, которые не должны превышать предельных значений.

Подъем основания при набуха­нии грунта h_sw определяют методом послойного суммирования в соотве­тствии со схемой на рис. 15.12.

Рис. 15.12. Схема к расчету подъема основания при набухании

Для расчета необходимо построить эпюры природных напряжений _zg, дополнительных напряжений от фундамента _zp и дополнительных давлений _{z, ad} .

При местном замачивании основания процесс набухания в ув­лажненной зоне встречает противодействие от веса незамоченного грунта за ее пределами, что учитывается введением в расчет допол­нительных давлений _{z, ad} , зависящих от размеров и формы зоны замачивания и вычисляемых по формуле

_{z, ad} = k_g  (d + z) (15.21)

где k_g - коэффициент, принимаемый по СНиП 2.02.01 - 83.

При увеличении размеров увлажненной зоны этот коэффициент стремится к нулю, что часто с определенным инженерным запасом и принимается в расчетах.

Нижняя граница зоны набухания Н_sw соответствует глубине, на которой суммарное вертикальное напряжение _{z, tot} =_zp + _zg + _{z, ad} равно давлению набухания p_sw.

Формула для вычисления подъема основания имеет вид

h_sw = _{sw, i} h_i k_{sw, i} (15.22)

где _{sw, i} — относительное набухание грунта i-го слоя, соответст­вующее суммарному напряжению _{z, tot} в слое; h_i — толщина i-го слоя; k_{sw, i} — коэффициент, принимаемый равным 0,8 при _{z, tot} = 50 кПа и 0,6 при _{z, tot} = 300 кПа, а при промежуточных значениях _{z, tot} — по интерполяции.

Если расчетные деформации набухания h_sw превышают предель­ные значения s_u, применяют различные мероприятия, снижающие или полностью исключающие деформации, вызванные набуханием, или уменьшающие их неравномерность до заданных пределов.

Водозащитные мероприятия. Для предупреждения проникания воды или химических растворов в грунтовое основание устраивают отмостки вокруг зданий шириной 2...3 м, применяют водонепрони­цаемые экраны под всем сооружением из полимерных материалов либо из асфальта, заключают водопроводные и канализационные трубы в специальные железобетонные лотки и т. п. При этом следует иметь в виду, что маловлажные набухающие грунты иногда рассечены большим количеством усадочных трещин, по которым вода может легко проникать в грунтовое основание.

Улучшение свойств оснований. Предварительное замачива­ние применяют при небольших толщах набухающих грунтов. Этим мероприятием искусственно вызывается процесс набухания грун­товой толщи, и в дальнейшем строительство ведется как на водонасыщенных ненабухающих грунтах. Предварительное замачивание нельзя использовать, если во время эксплуатации может произойти высушивание грунта (например, в основании нагревательных печей и т. п.), что приведет к усадочным деформациям.

Замачивание осуществляется через скважины диаметром 89...276 мм, располагаемые в шахматном порядке через 2...5 м друг от друга. Глубину скважин принимают на 0,5 м меньше расчетной глубины замачивания. Скважины засыпаются песком, гравием или дробленым кислым шлаком. При замачивании ведется наблюдение за деформациями поверхности основания.

Грунтовые подушки при­меняют для замены всей или ча­сти толщи набухающих грун­тов. При частичной замене тол­щину подушек назначают из условия, чтобы подъем фунда­мента в результате набухания оставшегося слоя набухающих грунтов находился в допусти­мых пределах. Материалом гру­нтовых подушек могут служить пылевато-глинистые ненабуха­ющие грунты.

Компенсирующие поду­шки применяют для уменьше­ния неравномерности подъема фундаментов при локальном замачивании. Их устраивают из лю­бых, кроме пылеватых, песков на кровле или в пределах толщи набухающих грунтов преимущественно под ленточные фундаменты шириной до 1,5 м, давление по подошве которых составляет менее 0,1 МПа.

Рис. 15.13. Схема сил, действующих на ком­пенсирующую подушку:

1 — фундамент; 2 — обратная засыпка; 3 — набухающий грунт; 4 — песчаная ком­пенсирующая подушка

Размеры подушки в соответствии со схемой на рис. 15.13 прини­мают по табл. 15.1.

Таблица 15.1. Размеры компенсирующей подушки

Ширина фундамента b, м	Размеры подушки, м
	z	bz
0,5 < b < 0,7 0,7 < b < 1,0 1,0 < b < 1,2	1,2 1,15 1,1	2,2 2,0 1,8

Принцип работы компенсирующей подушки состоит в следу­ющем. В связи с тем что ширина песчаной подушки превышает ширину фундамента, при набухании грунтов происходит выпирание песка между фундаментом и стенкой траншеи. Поэтому при подъеме дна такой траншеи песок вокруг фундамента поднимается, а сам фундамент остается практически неподвижным.

Прорезка набухающих грунтов свайными фундаментами и глубо­кими опорами эффективна, если толща набухающих грунтов не превышает 12 м. При набухании грунтов возникают силы набуха­ния, направленные вверх и действующие по части боковой поверх­ности свай, расположенной в пределах толщи набухающих грунтов. Эти силы стремятся поднять сваи вверх. Для исключения подъема длина свай должна быть назначена таким образом, чтобы указан­ные силы были меньше, чем сумма нагрузок от сооружения и силы сопротивления по боковой поверхности в нижней части свай, заглу­бленной в ненабухающие грунты. Для увеличения сил сопротивле­ния в заделанной части свай можно применять винтовые сваи или сваи с уширенной пятой.

К конструктивным мероприятиям относится увеличение жестко­сти зданий путем разбивки их на отдельные отсеки. Крупнопанель­ные здания, наиболее чувствительные к неравномерным подъемам, следует разделять осадочными швами на отсеки длиной не более 30 м. Увеличение прочности достигается введением армированных поясов толщиной не менее 15 см, устраиваемых в нескольких уров­нях по высоте. При использовании набухающих грунтов в качестве естественных оснований необходимо проектировать фундаменты с наибольшим возможным давлением по подошве. Поэтому следует отдавать предпочтение ленточным и столбчатым фундаментам, устраивая фундаменты в виде плит и перекрестных лент только в тех сооружениях, где это обусловлено их конструктивной схемой. Конструкция подкрановых путей должна обеспечивать возможность рихтовки рельсов на величину не менее 50 мм в вертикальном и горизонтальном направлениях.