S0 + Ss .p ≤ Su .

Граничні деформації будівель і споруд спільно з основою призначають за рекомендаціями норм. Якщо конструкції об’єкта не розраховані на зусилля від деформацій основи, вона позначається Su . В разі розрахунку конструкцій на

такі зусилля гранична деформація позначається Su′ , яка за абсолютною величиною більша, ніж Su .

У нормах подано 11 варіантів основ і фундаментів, а також 11 типів конструктивних схем будівель. Залежно від потужності просадочної товщі, типу конструктивної схеми будівлі, а також групи умов будівництва вибирають кілька конкурентоспроможних варіантів основ та фундаментів. Подальше технікоекономічне порівняння дає можливість вибрати остаточний варіант. Наприклад, для важких умов будівництва (група 1А) у випадку спорудження каркасного 10поверхового житлового будинку (К-3) на товщі просадочного ґрунту 20 м>Hsℓ>10 м рекомендовано пальові фундаменти з палями-стояками або палями тертя (висячими), а також варіанти ґрунтових паль з армуванням товщі вертикальними елементами підвищеної жорсткості; варіант стовпів або стрічок із закріпленням ґрунту; варіант окремих фундаментів на основі, яка ущільнена за допомогою попереднього зволоження, в тому числі з використанням енергії вибухів.

16.3. ФУНДАМЕНТИ НА ҐРУНТАХ, ЯКІ ЗДАТНІ ДО НАБУХАННЯ

Деякі глини після зволоження мають властивість збільшувати свій об’єм. Це – ґрунти здатні до набухання. Вони розповсюджені практично на всій території України, але на різній глибині. В Криму, біля міст Керчі й Феодосії, вони залягають безпосередньо з поверхні землі та є основою фундаментів будівель і споруд. У Полтаві вони залягають із глибини 15-20 м і мають виходи тільки на схилах.

Згідно зі ДСТУ, ґрунтами здатними до набухання, вважають такі породи, в яких зволоження водою або іншою рідиною спричиняє збільшення об’єму, а відносне набухання в умовах відсутності тиску (вільне набухання) εsw≥0,04.

Відносне набухання при дії тиску визначають за допомогою компресійних випробовувань:

де hn та hsat – відповідно висота зразка природної вологості під тиском σ та після зволоження при тому ж тискові.

Є кілька методів випробувань. За методом однієї кривої зразок установлюють у прилад, стискують тиском σ, а після консолідації деформації зволожують до повної стабілізації набухання ґрунту. Іноді (метод двох кривих) один із двох зразків зволожують без навантаження до стабілізації набухання, а потім, повільно підвищуючи тиск, проводять компресійні випробовування зразка. Другий зразок стискують без зволоження. Відносне набухання можна розраху-

440

вати для будь-якого тиску за методом двох кривих.

Головну роль у процесі набухання відіграє глиняста фракція в породі. Особливе значення має наявність таких мінералів, як іліт, монтморилоніт. Завдяки особливостям тонкодисперсної фракції в ґрунті утримується велика кількість фізично зв’язаної води. Остання активно виявляє здатність розклинювати тверді мінеральні частинки ґрунту, що веде до його набухання. Таким чином, водна оболонка разом із гідрофільним характером глинистих мінералів сприяє розсуванню скелета ґрунту.

Установлено, що найчастіше набухання починається після перевищення деякої початкової щільності ґрунту. Підвищення щільності веде до зростання відносного набухання, що пов’язане зі збільшенням кількості мінеральних глинистих частинок у одиниці об’єму.

Відносне набухання знаходиться у зворотній пропорційності до початкової вологості ґрунту (проф. Сорочан Є. А., 1974).

Залежно від зовнішнього навантаження можливе або набухання, або просідання. Звичайно набухання із зростанням тиску в певних межах зменшується, а просідання збільшується. Зростання тиску від 0 до 0,15 МПа зменшує відносне набухання на 70...80%. Під час компресійних випробувань можна визначити так званий тиск набухання. Для цього в приладі розміщують зразок ґрунту непорушеної структури, зволожують, поступово стискують і фіксують такий тиск, із якого починається деформація. Чим більше вільне набухання ґрунту, тим більший тиск набухання psw. Відомі випадки, коли в деяких глинах тиск набухання складав psw=0,4...0,6 МПа.

Підняття фундаменту від набухання

де εsw.i – відносне набухання ґрунту і-го шару при дії тиску σ; hi – товщина і-го шару ґрунту, м; ksw.i – коефіцієнт, що залежить від загального вертикального

напруження на глибині, ksw=0,6...0,8; n – кількість шарів, на яку розділено зону набухання ґрунту.

Підсумовування за формулою (16.16) ведуть до нижньої межі зони набухання, де загальне вертикальне напруження від фундаменту, власної ваги зволоженого та незволоженого ґрунту дорівнює тискові набухання psw.

Процес набухання має зворотний характер. Якщо висушити ґрунт після набухання, то виникне усадка ґрунту, тобто зменшення об’єму. Величина усадки, як і величина набухання, залежить від таких факторів, як дисперсність ґрунту, його щільність та вологість. Деформація ґрунту за рахунок усадки:

де εsh.i – відносна лінійна усадка ґрунту і-го шару від висихання, котру визначають за відношенням різниці висот найбільш вологого та висушеного зразків до висоти зразка до висихання; hi – товщина і-го шару ґрунту; n – кількість шарів; ksh – коефіцієнт, який приймають 1,3.

Якщо деформації основи, що визначені за формулами (16.16), (16.17), бі-

441

льші, ніж граничні за рекомендаціями норм, або несуча здатність основи недостатня, передбачають заходи для зменшення шкідливого впливу цих деформацій.

У селищі поблизу Керчі були збудовані двоповерхові дерев’яні житлові будинки, під фундаментами яких залягають глини, здатні до набухання. Постійне зволоження ґрунту поверхневою водою, водою що витікає з інженерних мереж, зумовило розвиток його набухання із значним тиском. Останній, діючи на підошву стрічкових фундаментів легких будівель, викликав нерівномірне підняття фундаментів. Виникла деформація вигину. Щоб запобігти руйнуванню, на рівні перекриттів над першим та другим поверхами встановили систему замкнених металевих тяжів із круглої сталі, і таким чином зусилля розтягнення передалося на метал. Будинки були збережені й експлуатуються досі.

Набухання ґрунтів на схилах є також причиною розвитку зсувів. У м. Лубни на правому крутому березі р. Сула делювіальні відклади потужністю до 4 м підстеляються четвертинними і неогеновими набухаючими глинами. Внаслідок освоєння схилу під забудову поверхневі води інфільтрувались до цих глин, вони почали набухати, втрачати міцність та сприяти утворенню поверхні ковзання локальних зсувів. У свою чергу це призвело до активізації процесу зволоження набухаючих глин поверхневими водами. Зсувні процеси на схилі набули катастрофічного характеру.

набухання psw .

Дослідження, проведені у НДІБК, показали, що особливо ефективним методом боротьби з такими явищами є електрохімічне закріплення ґрунту, що на-

442

бухає. В процесі обробки таких ґрунтів постійним електричним струмом вони втрачають властивість набухання.

16.4. ФУНДАМЕНТИ НА СЛАБКИХ ҐРУНТАХ

До слабких (дуже стисливих) ґрунтів належать водонасичені мулисті супіски (e>0,9), суглинки (e>1), глини (e>1,5), стрічкові глини, мули, сапропелі, торфи і заторфовані ґрунти. Лесові ґрунти після насичення водою теж стають слабкими. Для таких ґрунтів характерна дуже висока стисливість, зумовлена значенням модуля загальної деформації E0<5 МПа, а також великий коефіцієнт водонасичення Sr≥0,8. Більшість перелічених слабких ґрунтів має тиксотропні властивості, тобто від динамічного впливу вони короткочасно втрачають структурну міцність, а потім поступово її відновлюють.

Під стрічковими глинами розуміють тонкошаруваті флювіогляціальні відклади з чергуванням піщаних та глинястих прошарків і чіткими анізотропними властивостями. Для них характерна висока вологість W=0,4...0,5, мала щільність ρ=1,3...1,4 т/м3, майже повна відсутність зчеплення c=0,002...0,003 МПа, модуль деформації Ep=3...8 МПа.

Мули – це глинясті ґрунти, які утворилися на дні водоймищ і знаходяться у початковій стадії формування. Для них характерне недоущільнення. Мули бувають морські, озерні, болотні та алювіальні. В умовах природного залягання вони мають вологість, яка перевищує вологість на межі текучості, тобто такі ґрунти мають текучу консистенцію.

Структурні зв’язки в мулах нестійкі. Це здебільшого зв’язки тиксотроп- но-коагуляційного типу. При дії на мули навіть невеликого тиску або ударного навантаження, вони переходять у текучий стан. За класифікацією мули віднесено до типу органо-мінеральних ґрунтів.

Згідно з матеріалами досліджень різних мулів (М. П. Лисенко, 1972) вони мають досить своєрідний хімічний склад. Так, SiO2 в них близько 40%, CaO –

24%, SO3 – 7,2%. Вологість мулів досягає W=0,5...6 (50...600%), щільність ρ=1,18...1,6 т/м3, пористість n=45...90%, коефіцієнт пористості e0=0,8...9. Межі

пластичності для чорноморського мулу: WL=0,4...1,25; Wp=0,12...0,93; кількість органіки Ir=14...40%.

Показники механічних властивостей мулу досить низькі. Кут внутрішнього тертя φ=4...26°, питоме зчеплення нульове, модуль деформації E=0,3...4 МПа; з глибиною показники механічних властивостей поліпшуються. Структурна міцність мулів також мала. Деякі різновиди мулів мають структурну міц-

ність R=0,015...0,03 МПа.

Сапропелі – це органо-мінеральний ґрунт, який належить до прісноводних мулів. Вони утворилися після саморозкладання органічних (рослинних) решток на дні озер. Сапропелі мають властивості, які значною мірою залежать від умов утворення, типу водоймища, кількості органічних речовин та карбонатів. Такі відклади відзначаються надзвичайно високою вологістю W=0,8–20 (80...2000%); коефіцієнт пористості e0=1,7...25; інакше кажучи, обсяг твердих

443

частинок в 1,7–25 разів менший, ніж обсяг пор. Модуль деформації сапропелів

E=0,03...2 МПа.

Проектування будівель і споруд на слабких ґрунтах відбувається з урахуванням таких загальних правил:

1.Треба уникати порушення природного стану слабкого ґрунту, яке веде до різкого зниження його механічних властивостей.

2.Не дозволяється збільшення навантажень на фундаменти під час експлуатації будівель і споруд.

3.Необхідно створювати умови для збереження однакового рівня води (влаштування протифільтраційних запон, дренажу, канав тощо).

4.Треба враховувати чутливість ґрунту до динамічних імпульсів і наван-

тажень.

5.Слід ураховувати величини структурної міцності ґрунту.

6.Фундаменти треба навантажувати одночасно, повільно й поступово на всій площі будівлі або споруди.

7.Доцільно створювати умови для зменшення нерівномірності осідань.

8.Необхідно пристосовувати надземні конструкції до нерівномірності осідань та збільшеної деформації основи.

Рекомендації для вибору раціональних заходів улаштування основ та фундаментів в умовах залягання слабких ґрунтів:

Слід зазначити, що найкращим заходом із тих, які перелічено в рекомендаціях, є прорізання слабких ґрунтів палями. Однак при цьому слід ураховувати негативне тертя по бічній поверхні паль у межах слабкого ґрунту. Одним із засобів такого урахування є зменшення розрахункових опорів для слабких ґрунтів

444

Заторфовані ґрунти й торфи, відповідно до вказівок ДСТУ Б.В.2.1-2-96, віднесено до біогенних (озерних, болотних або озерно-болотних) ґрунтів. Вони є у заплавах річок та на заплавинних терасах і відзначаються значним вмістом органічних речовин.

Відносним вмістом органічної речовини називається відношення маси сухих рослинних залишків до маси абсолютно сухого ґрунту. Для визначення цієї величини береться наважка ґрунту висушеного при температурі 105°С і прожарюється в муфельній печі при температурі 600°С. Тоді

де g0 – маса тигля, г; g1 та g2 – маси тигля відповідно з наважкою висушеного

ґрунту й з прожареним ґрунтом, г.

Число пластичності глинистого заторфованого ґрунту визначають після видалення органічних речовин.

До заторфованих належать глинисті ґрунти з відносним вмістом органічних речовин 0,1<Ir≤0,5. При 0,1<Ir≤0,25 ґрунт вважають слабкозаторфованим, якщо 0,25<Ir≤0,4 – середньозаторфованим, а при 0,4<Ir≤0,5 – сильнозаторфованим. Якщо відносний вміст органічних речовин більший за Ir>0,5, то такі ґрунти називаються торфами. В умовах природного залягання такі ґрунти, як правило, водонасичені. При цьому ґрунтові води досить агресивні щодо матеріалу підземних конструкцій будівель і споруд. Заторфовані ґрунти й торфи можуть залягати з поверхні (відкриті), а можуть бути поховані на деякий глибині. Тоді вони щільніші, ніж відкриті.

Торфи та заторфовані ґрунти відзначаються великою стисливістю і порівняно малою структурною міцністю. Це пов’язане насамперед із значною пористістю ґрунту, яка досягає кількох сотень відсотків, тобто об’єм мінеральної та органічної частин у кілька разів менший, ніж об’єм пор. За даними проф. Коновалова П. А. (2000), структурна міцність таких ґрунтів коливається від 0,01 до 0,045 МПа, модуль деформації для відкритих торфів E=0,1...0,25 МПа, а для схованих – E=1...3 МПа.

В. Є. Васильєвський (1965) наводить матеріали спостережень, які проводились на ділянці надзаплавинної тераси колишньої річки Либідь у Києві. Там п’ятиповерхові житлові будинки зведено на нерівномірній товщі заторфованого ґрунту та похованого торфу. За кілька років експлуатації цих будинків виникло осідання фундаментів у середньому на 75 см, а в окремих випадках до 98 см. Аналогічний випадок зареєстровано з будинком на бульварі Шевченка в столиці України, де середнє осідання близько 60 см. Органічні речовини в заторфованих ґрунтах зазнають поступової мінералізації і розкладання, які ведуть до появи додаткової пористості та деформації основ. Ступінь розкладання торфу Dpd визначають як відношення маси повністю розкладеної частини ґрунту до його загальної маси. Відомо, що чим більший ступінь розкладання, тим менша деформативність ґрунту.

Орієнтовно визначити показники деформативності й міцності торфів та заторфованих ґрунтів залежно від ступеня розкладання, вмісту органічних ре-

446

човин, консистенції і коефіцієнта пористості можна за допомогою довідкової літератури, наприклад, використовуючи “Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений” (1986).

Через значну деформативність сильнозаторфованих ґрунтів та торфу влаштування фундаментів безпосередньо на їх поверхні неможливе. Якщо під підошвою фундаменту є шар ґрунту з модулем деформації E≤5, товщина котрого більша за ширину фундаменту, осідання основи визначають з урахуванням загального тиску на рівні підошви фундаменту (разом із природним тиском).

Фундаменти на заторфованих ґрунтах і торфах розраховують як за несучою здатністю, так і за деформаціями.

Якщо розрахункове осідання основи спільне з осіданням від мінералізації або розкладання органічних речовин не перевищує граничного, а навантаження на ґрунт не перевищують його несучої здатності, додаткових заходів до пристосування об’єкта не передбачають. У протилежному випадку передбачають таке:

Якщо ущільнення заторфованого ґрунту запроектоване за рахунок шару піску, то кінцеве осідання торфу або заторфованого ґрунту визначають за допомогою емпіричної формули:

де P – тиск від піщаного шару на поверхні заторфованого ґрунту, кПа; h – товщина шару заторфованого ґрунту, м; E – модуль деформації заторфованого ґрунту, кПа.

Наприклад, якщо на триметрову товщу заторфованого ґрунту з модулем Е=1000 кПа намито два метри піску з питомою вагою γ=18 кН/м3, то осідання заторфованого ґрунту, якщо тиск від піщаного шару становить P = γh =18·2=36

кПа, S=3·36·2/(3·1000+4·36)=7 см.

Використання передбудівельного ущільнення заторфованого ґрунту здебільшого дешевше, ніж улаштування пальових фундаментів або видалення такого ґрунту із заміною його піщаними або щебеневими подушками.

Досвід показав, що розподіл деформації по глибині заторфованого ґрунту нерівномірний. Найбільша деформація із значними бічними переміщеннями ві-

447