4.7. Строительство на структурно неустойчивых грунтах

Принципы проектирования оснований и фундаментов на структурно - не устойчивых грунтах.

К структурно-неустойчивым грунтам относят мерзлыеивечномерзлыегрунты;лессовые просадочныегрунты,слабые водонасыщенные,пылевато-глинистые,засоленные, заторфованныегрунты. В определенной мере сюда могут быть отнесены инасыпныегрунты. Несмотря на различие в условиях образования грунтов этой группы их объединяетобщее свойство– в природном состоянии эти грунты обладают структурными связями, которые при определенных воздействиях резко снижают свою прочность или полностью разрушаются (это может быть от быстро возрастающих, динамических, вибрационных нагрузок или физических процессов – повышениеt-ры мерзлых грунтов, обводнение лессовых или засоленных грунтов и т.п.)

Структурно-неустойчивые грунты часто называют региональными, т.к. эти грунты группируются преимущественно в определенных географо-климатических зонах (регионах).

При строительстве на таких грунтах кроме общепринятых для обычных условий решений требуется проведение комплекса специальных мероприятий, учитывающих их особые свойства.

Эти мероприятияразделяются на четырегруппы:

1 группа: меры, предпринимаемые для исключения неблагоприятных воздействий на грунты.

2 группа: способы искусственного улучшения структурных свойств оснований, с помощью которых нейтрализуются последствия воздействия неблагоприятных факторов.

3 группа: конструктивные мероприятия, понижающие чувствительность зданий к неравномерным деформациям основания.

4 группа: применение специальных типов фундаментов.

Фундаменты на слабых водонасыщенных глинистых грунтах

Слабыми водонасыщенные глинистые грунты имеют с степень влажности 0,8 и модуль общей деформации 5,0 МПа в интервале давлений 0,05 -0,3 МПа. По структуре, литологическому составу и текстурным признакам к таким грунтам относятся ленточные глины, морские и пресноводные илы, водонасыщенные лёссовые грунты . Слабые водонасыщенные глинистые грунты обладают следующими физико-механическими свойствами, обусловливающими выделение их в отдельную группу.

Слабые водонасыщенные глинистые грунты обладают большой и неравномерной сжимаемостью. Здания и сооружения на таких грунтах претерпевают большие осадки, в отдельных случаях до 1,5 - 2 м, что приводит здания к непригодности для эксплуатации.

Процесс уплотнения слабых водонасыщенных глинистых грунтов происходит в течение длительного времени. Поэтому осадки зданий развиваются очень медленно, особенно в тех случаях, когда основания сложены большими толщами водонасыщенных глинистых грунтов. Происходит это ввиду низкой водопроницаемости этих грунтов и медленного отжатия поровой воды в процессе уплотнения под воздействием внешней нагрузки. Наблюдения за осадками показывают, что в зданиях наблюдаются изгибы кирпичной кладки, прогибы металлических и железобетонных конструкций и т. д.

Слабые водонасыщенные глинистые грунты имеют низкую прочность. Определенные по методике быстрого сдвига угол внутреннего трения и удельное сцепление соответственно составляют 10° и 0,006 - 0,025 МПа. Поэтому на таких грунтах чрезвычайно сложно обеспечить устойчивость зданий и сооружений, особенно с эксцентричным приложением внешней нагрузки (дымовые трубы, опоры линии передач и др.).

Свайные фундаменты при строительстве на слабых водонасыщенных глинистых грунтах применяются для того, чтобы уменьшить осадку проектируемого сооружения или увеличить его устойчивость. Как правило, забивные жесткие сваи для уменьшения осадки используются в тех случаях, когда слой слабых водонасыщенных глинистых грунтов имеет относительно небольшую глубину (обычно до 12 м), а ниже залегают малосжимаемые прочные грунты. Длина сваи должна быть такой, чтобы она полностью прорезала слой слабых грунтов и передавала нагрузку на подстилающие прочные грунты. Если необходимо увеличить устойчивость сооружения, то применяются сваи, не полностью прорезающие слой упомянутых грунтов.

При строительстве сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах применяются сваи из различного материала и разных конструкции. Как показала практика, в этих грунтах длительное время хорошо эксплуатируются деревянные сваи. Металлические сваи без специальной обработки поверхности быстро корродируют, особенно в условиях городской застройки под действием блуждающих токов. Наиболее часто в слабых водонасыщенных глинистых грунтах применяются сборные железобетонные и набивные бетонные сваи. При устройстве набивных свай в слабых водонасыщенных глинистых грунтах чаще всего стенки скважин крепятся от обрушения глинистым раствором или избыточным давлением воды. Принцип крепления стенок скважин избыточным давлением столба воды, залитой в скважину выше залегания грунтов или выше уровня грунтовых вод на 3 м, заключается в образовании потока воды из скважины в окружающий грунт, что препятствует обрушению ее стенок. При использовании глинистого раствора бетонирование скважин производится с помощью вертикально перемещающейся трубы. Для бетонирования под водой применяют бетонолитные трубы с герметичными быстроразъемными стыками. Этот метод используется для создания свай длиной до 30 м диаметром до 170 и с уширеиием в конце сваи до 350 см. Наиболее часто буронабивные сваи в слабых водонасыщенных глинистых грунтах изготавливаются с креплением стенок от обрушения обсадными трубами. Отличие песчаных свай от вертикальных песчаных дрен состоит лишь в том, что при забивке песчаных свай; вокруг них возникает уплотненная зона. Песчаные сваи располагают таким образом, чтобы уплотненные зоны перекрывали одна другую и между сваями находился уплотненный грунт, в поровой воде которого возникает давление. Процесс консолидации водонасыщенных грунтов в уплотненной зоне между песчаными сваями происходит в результате отжатия поровой воды в тело песчаной сваи, а из верхних уплотненных слоев грунта — в песчаную подушку. Отжатие воды происходит под действием порового давления, которое возникает в грунтовом массиве при внедрении в него обсадной трубы с закрытым концом.

Фундаменты на насыпных грунтах.

К насыпным грунтам относятся:

– грунты с нарушенной естественной структурой;

– отвалы отходов различных производств;

– свалки всевозможных материалов, напластования которых образовались в результате засыпки оврагов, котлованов, карьеров, местных понижений при планировке территорий грунтами, полученными при разработке котлованов, траншей, планировке территорий срезкой, вскрышных работах при открытой разработке полезных ископаемых и т. д., а также отходами различных производств.

В зависимости от способа укладки, однородности состава и сложения, вида исходного материала, степени самоуплотнения от собственного веса насыпные грунты подразделяются на отдельные группы и виды согласно табл. 11.13.

Насыпные грунты в материалах инженерно-геологических изысканий, а также в проектах оснований и фундаментов именуются с дополнительным указанием их видов в зависимости от: однородности состава и сложения, способа укладки, вида исходного материала, составляющего основную часть насыпи, и степени уплотнения их от собственного веса. При наличии крупных включений, имеющих контакты между собой, насыпные грунты именуются по виду этих включений с указанием материалов, заполняющих поры и пустоты.

К планомерно возведенным относятся насыпи, сооружаемые по заранее разработанному проекту из однородных грунтов или отходов производств (без содержания органических включений) путем отсыпки их в целях планировки территорий и использования ее под застройку с уплотнением грунтов до заданной по проекту плотности.

Планомерно возведенные насыпи обычно сооружаются с соответствующей подготовкой поверхности для ее отсыпки, включающей: полную или частичную планировку, срезку растительного заторфованного слоя, уборку мусора, отходов органического происхождения и т.п.

Отвалы грунтов и отходов производств представляют собой отсыпки различных видов грунтов, полученных при разработке котлованов, срезке площадей, при их планировке, проходке подземных выработок и т.п., или отходов производств: шлаков, золы, формовочной земли, отходов обогащения полезных ископаемых и т.п., содержащих органические включения не более 0,05 по весу.

Свалки грунтов, отходов производств и бытовых отходов представляют собой отсыпки, образовавшиеся в результате неорганизованного накопления различных материалов и обычно характеризующиеся повышенным (более 0,5) содержанием органических включений.

Основания и фундаменты зданий и сооружений на насыпных грунтах рассчитываются по деформациям исходя из того, чтобы полная осадка фундамента на насыпном грунте не превышала предельно допустимой для проектируемого здания или сооружения. При этом полная осадка s_f фундамента подсчитывается как сумма осадок, вызванных его нагрузкой и дополнительными факторами:

s_f = s + s_f1 + s_f2 + s_f3 + s_f4,

где s — осадка фундамента от его нагрузк; s_f1 — дополнительная осадка основания от самоуплотнения насыпных грунтов от собственного веса; s_f2 — то же, вследствие замачивания, снижения уровня подземных вод; s_f3 — то же, при разложении органических включений; s_f4 — то же, за счет уплотнения подстилающих грунтов от веса насыпи.

Основания, сложенные насыпными грунтами, необходимо проектировать с учетом их неравномерной сжимаемости, значительной неоднородности по составу, возможности самоуплотнения, особенно при динамических воздействиях, изменения гидрогеологических условий, а также возможности разложения органических включений. Насыпные грунты из шлаков и глин следует рассчитывать с учетом возможности набухания при замачивании водой.

Модуль деформации насыпных грунтов, как правило, необходимо определять по результатам штамповых полевых испытаний, а неравномерность сжимаемости — по результатам лабораторных и полевых испытаний.

Помимо требований II группы предельных состояний насыпные грунты должны удовлетворять основным условиям расчета и по несущей способности (I группа предельных состояний).

При недостаточной несущей способности или расчетных деформациях оснований из насыпных грунтов, более предельных, необходимо выполнение следующих мероприятий:

1) поверхностное уплотнение оснований вибраторами, катками и тяжелыми трамбовками;

2) глубинное уплотнение грунтовыми или песчаными сваями;

3) устройство песчаных, щебеночных и гравийных подушек;

4) прорезка насыпных грунтов свайными фундаментами или использование фундаментов глубокого заложения;

5) использование конструктивных мероприятий, снижающих неблагоприятное воздействие неравномерных осадок.

Фундаменты на засоленных грунтах.

К засоленным относятся грунты, в которых содержится более 5 % среднерастворимых или более 0,3 % легкорастворимых солей (от веса сухого грунта). К легкорастворимым солям относятся хлористые соли натрия (NaCl), калия (КС1), кальция (СаС12) магния (MgCl2); бикарбонаты натрия (NaHC03), кальция (СаНСОз); карбонат натрия (Na2C03); сульфаты натрия (Na2S04) и магния (MgS04). К среднерастворимым солям относятся гипс (CaS042H20) и ангидрит (CaS04).

При расчете оснований, сложенных засоленными грунтами по второй группе предельных состояний, осадку основания следует определять с учетом деформаций, вызываемых внешней нагрузкой, а также возможных деформаций от просадки в результате набухания, усадки и суффозионной осадки.

Основания, сложенные засоленными грунтами, необходимо проектировать с учетом следующих факторов: возможности образования суффозионной осадки в результате фильтрации воды с последующим выщелачиванием солей; снижения прочностных характеристик в результате изменения физико-механических свойств в процессе выщелачивания; возможной просадки или набухания при замачивании, а также повышенной агрессивности подземных вод по отношению к материалам подземных конструкций, возможной в результате растворения солей, содержащихся в грунте.

Если расчетные деформации основания превысят предельно допустимые по нормам или несущая способность окажется недостаточной, необходимо выполнять водозащитные мероприятия, исключающие замачивание, а в случае невозможности: осуществлять конструктивные меры, направленные на снижение неблагоприятного влияния неравномерных осадок; прибегать к частичной или полной срезке слоев засоленных грунтов с заменой последних подушками из пылевато-глинистых грунтов; применять свайные фундаменты с прорезкой слоев засоленных грунтов; использовать закрепление и уплотнение грунтов, а также предварительное рассоление специальными веществами, вступающими в реакцию с солями.

Если предусматривается комплекс мероприятий, направленных на предотвращение длительного замачивания и выщелачивания грунтов, или возможность последнего полностью отсутствует, осадки основания определяют как для незасоленных грунтов при полном водонасыщении.ъ

Устройство искусственных оснований.

К устройству искусственных оснований прибегают в тех случаях, когда возведение фундамента на естественном основании оказывается затруднительным, экономически нецелесообразным или даже невозможным.

К числу подобных случаев относятся следующие:

1. Развитие в основании настолько слабых грунтов, что для опирания на них требуется такое расширение площади фундамента или такое его заглубление, что это оказывается нерентабельным.

2. Возможность нарушения устойчивости основания в процессе эксплуатации сооружения под влиянием фильтрационного потока, при наличии в толще грунтов основания водно-растворимых составляющих.

3. Возможность разрушения основания восходящим фильтрационным потоком, выносящим мелкозернистые и пылеватые частицы.

4. Возможность размыва основания открытым водным потоком или волновым воздействием вод открытого бассейна.

5. Развитие в основании неустойчивых грунтов в виде отдельных пластов, пропластков, линз или других тел, создающих условия для возникновения неравномерных осадок, выходящих за допустимые пределы неравномерности.

6. Возможность возникновения недопустимо больших осадок за счет деформации просадочных грунтов, сжатия грунтов с высоким содержанием органических примесей, уплотнения илов и торфянистых образований и т. п.

Искусственные основания устраивают тогда, когда грунт обладает слабой несущей способностью и не может быть использован в качестве естественного основания, Такие основания создают путем уплотнения, закрепления, замены слабого грунта грунтом с большей несущей способностью или путем передачи нагрузки на заглубленные слои грунта при помощи специальных инженерных устройств (сваи, опускные колодцы и др.). Искусственное улучшение свойств слабого грунта достигается путем поверхностного или глубинного уплотнения. Поверхностное уплотнение грунта осуществляют катками (на глубину 15—20 см), пневматическими трамбовками или трамбовочными плитами (на глубину до 1,5—2 м) и другими механическими способами.

Глубинное уплотнение слабых грунтов выполняют при помощи грунтовых или песчаных свай, образуемых путем пробивания скважин и заполнения их песком или грунтовым материалом с уплотнением.

Простейшим видом грунтовых искусственных оснований являются песчаные подушки. Слой слабого грунта под будущим фундаментом удаляют и вместо него насыпают песок (с тщательным уплотнением). Подушки можно устраивать также из материала большой несущей способности: гравия, щебня или смеси грунта с гравием или щебнем.

К более сложным способам искусственного улучшения свойств грунтов относят закрепление их различными вяжущими материалами, нагнетаемыми под давлением через инъекторы: цементным молоком (цементация), раствором жидкого стекла и отвердителя (силикатизация), горячим битумом или холодной битумной мастикой (битумизация). Вяжущие материалы после отвердения связывают частицы грунта в прочный камневидный монолит.

Цементации подвергают грунты, представляющие собой крупные и среднезернистые пески; силикатизацию грунта применяют при упрочнении пылеватых песков и лессовых грунтов. Битумизация обломочных грунтов способствует их упрочнению и предотвращению фильтрации грунтовых вод. Лессовидные просадочные грунты и пористые суглинки (неводонасыщенные) можно закреплять термическим способом — обжигом на глубину до 15 м раскаленными газами через пробуренные в грунте скважины диаметром 15—20 см.

Упрочнение слабых грунтов при создании искусственных оснований способствует увеличению их несущей способности до заданной величины. Несущая способность основания определяет нагрузку, при которой осадка (сжимаемость) грунта по величине и равномерности соответствует нормам. Осадка основания зависит не только от нагрузки и степени сжимаемости, но и от формы и размеров подошв фундамента.

Таблица 14.1 – Методы и технические приемы улучшения

грунтовых оснований

Тип преобразования оснований	Методы устройства оснований	Виды оснований и способы их усиления	Грунтовые основания, подлежащие усилению до начала строительства
1	2	3	4
I	Замена грунта	Песчаные подушки (замена грунта)	Слабые сильносжимаемые грунты (илы, связные грунты в текучем состоянии, торфы, заторфованные, насыпные и просадочные грунты)
		2. Грунтовые подушки из местного связного грунта
		Каменные, песчано-гравийные и другие подсыпки	Илы и другие слабые грунты, залегающие под слоем воды
II	Механическое уплотнение	1. Поверхностное уплотнение грунтов:
		тяжелыми трамбовками	Макропористые просадочные, рыхлые песчаные, свежеуложенные связные и насыпные грунты при степени влажности
		- катками, легкими трамбовками, тран-спортными средствами	То же при послойной укладке отсыпаемых грунтов
		- площадочными вибраторами и другими механизмами	Рыхлые песчаные грунты при послойной укладке
		вытрамбованием котлованов под отдельные фундаменты	Макропористые просадочные (Iтип просадочности) и другие пылевато-глинистые грунты при
		2. Глубинное уплотнение грунтов:
		-грунтовыми свая-ми из местного грунта	Макропористые просадочные грунты
		- песчаными сваями	Рыхлые пылеватые и мелкие пески, слабые сильносжимаемые заторфованные грунты
		- виброуплотнением или гидровиброуплотнением взры-вами	Рыхлые песчаные грунты
		предварительным замачиванием	Макропористые просадочные грунты
		предварительным замачиванием и глубинными взрывами	То же
		3. Предварительное обжатие грунтов:
		- понижением уровня подземных вод	Слабые сильносжимаемые водонасыщенные грунты (при снятии взвешивающего действия воды)
		посредством внешней пригрузки и устройства вертикальных дрен	Слабые сильносжимаемые пылевато-глинистые и заторфованные грунты
III	Закрепление	1. Силикатизация	Пески и макропористые просадочные грунты
		Закрепление синтетическими смолами	То же
		3. Цементация	Трещиноватая скала, гравий и песчаные грунты
		Закрепление известковыми и грунто-цементными сваями	Слабые сильносжимаемые водонасыщенные пылевато-глинистые и заторфованные грунты
		Электрохимическое закрепление	Слабые пылевато-глинистые грунты (при коэффициенте фильтрации )
		Электроосмос	Макропористые просадочные грунты