Петраков и др. Осн.ифунд. в СИГУ

Таким образом, деформации основания в результате набухания и усадки грунтов зависят от давления на основание, вида и состава грунта, толщины слоя набухаемого грунта, площади замачивания, физических и химических свойств жидкости, замачивающей основание. Давление, действующее на грунт, в значительной мере влияет на величину набухания (рис. 10.2а): с его увеличением давление уменьшается. Наиболее резкие уменьшения наблюдаются при возрастании давления от 0 до 150 кПа. При большем давлении это уменьшение проявляется не так интенсивно. Состояние грунта – влажность и плотность – оказывают существенное влияние на величину набухания. С возрастанием начальной влажности уменьшается набухание, а при определенной начальной влажности

равной влажности набухания WSW , деформации разуплотнения не происходит. В

противоположность этому с увеличением начальной плотности линейно возрастает

набухание грунта. Существует так называемая начальная плотность SW , при которой

набухание отсутствует.

Рис. 10.2 Зависимость величины набухания (усадки) от действующего давления

При проектировании заглубленных частей сооружений должны учитываться горизонтальные давления, возникающие при набухании и усадке грунтов.

Процессы набухания и усадки определяются закономерностями коллоидной химии для тонкодисперсных сред. Набухание связано с образованием тонких водяных пленок (электролитов) между микрочастицами грунта, удерживаемых силами электростатического притяжения. Усадка связана с уменьшение толщины пленочной воды. Таким образом механизм усадки принципиально отличается от процессов фильтрационной консолидации, связанных с выдавливанием поровой воды.

Подъем основания в результате набухания грунта определяется в предположении, что осадки основания от внешней нагрузки стабилизировались. При определении деформаций основания осадка его от внешней нагрузки и возможная осадка от уменьшения влажности набухающего грунта должны суммироваться.

Основание, сложенное набухающими грунтами, характеризуется переменными коэффициентами жесткости, определяемыми по формулам:

Расчеты конструкций производят раздельно на воздействие набухания и на воздействие усадки грунта. При этом в первом случае минимальным является коэффициент жесткости С,

а максимальным – коэффициент жесткости CSW . Во втором случае минимальным является

коэффициент жесткости CSh , а максимальным – С.

Для каждого из возможных воздействий (набухание, усадка) рассматривают две схемы неравномерной усадки основания: минимальная жесткость в центре здания и максимальная жесткость по торцам здания; максимальная жесткость в центре здания и минимальная жесткость по торцам здания. Изменение коэффициентов жесткости по длине здания линейное. Поскольку значения коэффициентов жесткости зависят от давлений, решение контактной задачи должно осуществляться итерационными методами.

При расчете оснований из набухающих грунтов должны применяться характеристики грунтов при их природной плотности и влажности. При определении расчетного сопротивления основания из набухающих грунтов рекомендуется учитывать допустимость его повышения в 1,2 раза, что будет способствовать уменьшению величины подъема фундамента при набухании грунта.

Мероприятия по устранению влияния набухания и усадки грунтов на фундаменты сооружений предусматривают следующее:

-водозащитные мероприятия;

-предварительное замачивание основания в пределах всей или части толщи набухающих грунтов, в том числе с вытрамбовыванием котлованов (рис. 10.3);

вытрамбовыванием котлованов.

1 – поверхность грунта перед замачиванием; 2 – поверхность грунта после проседания до динамического влияния; 3 – поверхность грунта после динамического влияния; 4 – базовая машина; 5 – трамбовка; 6 – вытрамбованный котлован; 7 – расширение из жесткого материала; 8 – защемленная зона; 9 – зона

динамического влияния.

-применение компенсирующих песчаных подушек;

-полная или частичная замена слоя набухающего грунта ненабухающим;

-полная или частичная прорезка фундаментами слоя набухающего грунта. Уменьшение величины подъема фундамента на естественном основании из

набухающих грунтов может обеспечиваться путем анкеровки фундаментов с помощью свай, частично или полностью прорезающих набухающий слой. При этом нагрузка, передаваемая сооружением, воспринимается фундаментом и сваями. В этом случае должна обеспечиваться совместная работа системы фундамент-свая. Конструктивные мероприятия сооружений на набухающих грунтах включают разделение сооружений на отсеки, устройство поэтажных и фундаментных поясов и др. мероприятия, применяемые для зданий и сооружений на подрабатываемых территориях и просадочных грунтах.

ЛЕКЦИЯ № 11. Фундаменты сооружений на биогенных грунтах и илах

(2 часа)

Данные исследований песчаных и пылевато-глинистых грунтов должны содержать сведения о наличии примеси органических веществ. Относительное содержание органических веществ в грунте Іот определяется как отношение их массы в образце грунта, высушенного при температуре 100-105о, к массе образца. При величине

0,03 Iот 0,1грунты относятся к типу грунтов с примесями органических веществ. При

Іот>0,1 грунты считаются Люгенными.

Биогенные грунты подразделяются на: сапропели, заторфованные грунты и торфы. Сапропели – это пресноводный ил, образовавшийся при саморазложении

(минерализации) органических (преимущественно растительных) остатков на дне застойных водоемов и содержащих более 10% по массе органических веществ. Имеет коэффициент пористости е, (как правило, более 3), показатель текучести І>1. Различают сапропели

минеральные (0,1 Iот 0,3), среднеминеральные (0,3 Iот 0,5) и слабоминеральные

(Іот>0,5).

Заторфованные грунты – песчаные и пылевато-глинистые, содержащие в своем составе

отмирания и неполного разложения (минерализации) болотных растений в условиях повышенной влажности при недостатке кислорода и содержащий более 50% органических веществ.

Степени разложения торфа Dрd - отношение массы бесструктурной (полностью разложившейся) части к общей массе торфа. различают торфы слаборазложившееся

(Dрd 0,2), среднеразложившееся (0,2 Dрd 0,45), сильноразложившиеся (Dрd 0.45).

Деформационные, прочностные и фильтрационные характеристики биогенных грунтов и илов должны определяться при давлениях или в диапазоне давлений, соответствующих распряженному состоянию основания проектируемого сооружения.

Характеристики биогенных грунтов и илов должны устанавливаться при испытании образцов грунта в вертикальном и горизонтальном направлении, т.е. с учетом анизотропии.

Предварительно характеристики биогенных грунтов и илов допускается определять по справочным таблицам, имеющимся в нормах.

Характерно, что сапропели имеют низкое удельное сцепление (2..6 кПа), угол внутреннего трения ( 0) и модуль деформации (0,1..1,0 МПа). При этом очень высокая природная влажность (150..600%) и коэффициент пористости (4..12). Указанные характеристики абсолютно непривычны для специалистов, имеющих дело с основаниями, сложенными песчано-глинистыми грунтами (e<1,0, W<30%, φ>(12..15o), C>10 кПа,

Е>10 МПа).

Торфы отличаются от сапропелей тем, что имеют достаточно высокие прочностные показатели: φ=10..20о, С= 20..30 кПа. Порядок деформационных характеристик (прямых и косвенных) в основном соответствует сапропелям (e=3..5,5, Е>1,1..3,0 МПа).

Расчет оснований, сложенных биологическими группами и илами, должен производится с учетом скорости передачи нагрузки основания, изменения эффективных напряжений в грунте в процессе консолидации основания, анизотропии свойств грунтов. При этом допускается использовать методы линейной теории консолидации грунтов.

При наличии дренирующих слоев в основании необходимо учитывать фильтрацию паровой воды в сторону дренирующего слоя, а при наличии песчаной подушки под фундаментом также в сторону этой подушки.

Силу предельного сопротивления основания Nл, сложенного медленно уплотняющимися биогенными грунтами при действии вертикальной нагрузки для ленточного фундамента допускается определять по формуле:

свободный выход воды из грунта и его уплотнение при действии на грунт нагрузки от веса намытого песка и от сооружения.

E – модуль деформации биогенного грунта или ила при полной влагоемкости, кПа; h – толщина слоя биогенного грунта или ила, м.

Осадка слоя биогенного грунта или ила, вызванная намытым или отсыпанным слоем песка, в любой момент времени определяется по формуле:

табл. 109 "Пособия..." в зависимости от факторов времени TV и TV .

Величины факторов времени TV и TV определяются по формулам:

где CV – коэффициент консолидации грунта при вертикальном дренировании, м2/год; H – длина пути фильтрации (м), равная: при двухстороннем дренаже - половины

толщины слоя биогенного грунта или ила, при одностороннем – толщине этого слоя; t - заданное время консолидации, год;

t - время, соответствующее прекращению возрастания нагрузок от песчаной насыпи или намыва, год.

Коэффициент консолидации CV для биогенных грунтов и илов определяют на основе обычного компрессионного испытания в одометре с пористыми камнями путем обработки кривой консолидации по методу Тейлора. Для определения коэффициента консолидации при проектном давлении в системе координат у t (рис.2), где у – деформация сжатия грунта,

мм. На графике проводят прямую, совпадающую с прямолинейным участком кривой консолидации. Пересечение этой прямой с осью ординат дает точку А, которая показывается точкой начала первичной консолидации. Из точки А проводят вторую прямую, абсциссы которой составляют 1.15 абсциссе первой прямой. Точка пересечения второй прямой с экспериментальной кривой (точка В, рис. 11.2) дает время, соответствующее 90% первичной консолидации.

Коэффициент консолидации CV (см2/с) определяется по формуле:

Рис. 11.2 График определения коэффициента консолидации при проектном давлении в системе координат

где 0,848 – коэффициент Тейлора для 90% первичной консолидации; Н – высота образца, см.;

t90 - время, соответствующее 90% первичной консолидации, мин.

Коэффициент консолидации CV для торфов может приниматься для предварительных расчетов по табл. 103 “Пособие...”. Диапазон его изменения (1...10) м2/рад.

При толщине слоев биогенных грунтов, превышающей 3м., их рекомендуется уплотнять с использованием вертикальных дрен. План расположения дрен, их сечение и шаг устанавливаются расчетом из условия 90% консолидации основания в зависимости от назначаемых сроков уплотнения строительной площадки. Шаг дрен колеблется в широком диапазоне и составляют от 0,5 до 3,0 м. В “Пособии” приводятся расчетные формулы для определения степени консолидации с учетом фильтрации воды в вертикальном (Q ) и

радиальном (Qr ) направлениях.

Определяемые с учетом линейной теории фильтрационной консолидации грунтов

Воздействие на сооружение неравномерно сжимаемых во времени оснований, сложенных биогенными грунтами или илами, учитывается по схеме переменного коэффициента жесткости основания: минимальное значение в центре сооружения, максимальное значение по краям; максимальное значение в центре, минимальное значение по краям; максимальное значение по краям и минимальное значение под противоположным торцом (при определении возможного крена сооружения).

В проектах зданий и сооружений, возводимых на биогенных грунтах и илах, должны предусматриваться натурные изменения деформаций оснований и фундаментов:

- при застройке новых районов типовыми зданиями высотой 5 и более этажей исходя из норм – одно наблюдаемое здание на 10 строящихся;

-в каждом квартале застройки за первым по очередности постройки зданием высотой 15эт., а также за уплотненными зданиями и сооружениями;

-за зданиями и сооружениями, имеющими конструкции пролетом более 24м.;

-в случае возникновения значительных деформаций оснований, фундаментов и несущих конструкций.

ЛЕКЦИЯ №12. Основания и фундаменты сооружений на элювиальных грунтах

(2 часа)

Основания, сложенные элювиальными грунтами – продуктами выветривания скальных пород, оставшимися на месте своего образования и сохранившими в той или иной степени структуру и текстуру исходных пород, должны проектироваться с учетом:

-их значительной неоднородности по глубине и в плане из-за наличия грунтов с большим различием их прочности и деформационных характеристик – скальных различной степени выветриваемости и нескальных грунтов;

-склонности к снижению прочности элювиальных грунтов (особенно круглообломочных и сильно выветренных скальных) во время их пребывания в открытых котлованах;

-возможности перехода в плывучее состояние элювиальных супесей и пылеватых песков в случае их водонасыщения в период устройства котлованов и фундаментов;

-возможного наличия просадочных свойств у элювиальных пылеватых песков с коэффициентом пористости е>0,6 и степенью влажности Sr <0,7.

Для оснований, сложенных элювиальными грунтами, характерным разрезом (рис. 12.1) является наличие (сверху вниз) следующих зон: дисперсной, обломочной, глыбовой и трещиноватой. Дисперсная зона состоит из следующих подзон: глинистые продукты выветривания (стадия конечного разложения); песчаные или пылевато-глинистые продукты (стадия промежуточного разложения). Подзона глинистых продуктов сложена преимущественно элювиальными слабоструктурными суглинками и реже глинами и супесями. Подзона песчаных или пылевато-глинистых грунтов сложена элювиальными супесями, реже суглинками, а также песчаными грунтами, в составе которых содержится значительная примесь дресвы и щебня. Элювиальные грунты подзоны песчаных и пылеватых продуктов обладают повышенными значениями удельного сцепления и углов внутреннего трения и относится к элювиальным прочноструктурным глинистым и песчаным грунтам.

Обломочная зона представлена дресвяно-щебневыми крупнообломочными элювиальными образованьями с песчано-глинистыми заполнителями. При этом обломки имеют различную прочность.

Глыбовая зона залегает в виде трещиноватого массива с наличием бессистемно ориентированных трещин с ломкообломочным заполнителем или без него.

Трещиноватая зона представляет сплошной скальный массив в песчаной стадии физического выветривания. Зона представлена выветренными и слабовыветренными скальными грунтами, переходящими с глубиной в невыветренную скалу.

По глубине основания, сложенного элювиальными грунтами, возрастает плотность, уменьшается пористость, увеличивается прочность основания в целом.

Неоднородность оснований из элювиальных грунтов по глубине и в плане устанавливается по данным инженерно-геологических изысканий.

Элювиальные глинистые грунта при замачивании их отходами технологического производства способны набухать. В наибольшей степени набухание намечается при замачивании щелочными растворами. Элювиальные супеси в маловлажном состоянии могут обладать просадочными свойствами.

Рис. 12.1 Характерный разрез основания, сложенного элювиальными грутами.

Элювиальные грунты за время пребывания в открытых котлованах подвергаются интенсивному дополнительному (атмосферному) выветриванию. Это приводит к снижению прочности и деформационных свойств, а также к увеличению дисперсности грунтов в верхнем слое.

Элювиальные грунты аргиллито-алевролитовых осадочных пород недостаточно устойчивы при взаимодействии воды и температуры, причем наибольшему разрушению подвергается элювий аргиллитов. При значительном увлажнении эти виды элювиальных грунтов способны переходить их устойчивого твердого состояния в неустойчивое разжиженное, минуя стадию пластического состояния.

Возможность и степень снижения прочности элювиальных грунтов основания во время пребывания их открытыми в котлованах должна устанавливаться открытым путем в полевых или лабораторных условиях. Эти сведения должны содержаться в отчете об инженерногеологических изысканиях на площадке строительства. Испытаниями устанавливается также