Фундамент для структурно неустойчивых грунтов

Фундамент для структурно неустойчивых грунтов

6.1. Общие положения

К структурно-неустойчивым грунтам относят мерзлые и вечномерзлые грунты; лессовые просадочные грунты, слабые водонасыщенные , пылевато-глинистые , засоленные, заторфованные грунты. В определенной мере сюда могут быть отнесены и насыпные грунты. Несмотря на различие в условиях образования грунтов этой группы их объединяет общее 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 – повышение t-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 мероприятия разделяются на четыре группы :

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.

Ниже мы рассмотрим лишь основные положения проектирования фундаментов на структурно-неустойчивых грунтах.

6.2. Фундаменты в районах распространения вечномерзлых грунтов

6.2.а. Механические свойства мерзлых грунтов

Характерной особенностью вечномерзлых грунтов является то, что их свойства существенно зависят не только от вещественного состава и влажности , но и от их температуры , так как при оттаивании мерзлых грунтов может наблюдаться склонность к просадочности и разжижению, а при промораживании – морозное пучение.

В таком случае, прогноз температурного режима оснований в условиях вечной мерзлоты имеет первостепенное значение.

Изучение сжимаемости мерзлых грунтов при оттаивании обычно производится в одометрах, оборудованных нагревательной аппаратурой. Образец помещается в прибор, дается вертикальная нагрузка p₁ (участок аб, рис. 15.2). Затем образец нагревают и происходит его оттаивание при p₁=const, что ведет к разрушению цементационных связей (так как вода переходит в жидкое состояние) и грунт может значительно уплотнится (бв – рис 15.2). Деформация имеет просадочный характер. После стабилизации просадочной деформации при оттаивании образец нагружается ступенчато-возрастающей нагрузкой, что характеризуется сжимаемостью оттаивающего грунта (вг – рис. 15.2). Серия испытаний проводится при различных значениях начального обжатия p_1.

Из каждого опыта определяется коэффициент Просадочности

После чего строится график зависимости этого коэффициента от внешней нагрузки (p). Зависимость .

Имеет практически линейный характер и описывается уравнением

соответственно коэффициенты оттаивания и сжимаемости, которые являются основными расчетными характеристиками при вычислении осадок оттаивающих оснований.

Итак, осадка оттаявшего грунта складывается из двух частей: осадки оттаивания , не зависящей от нагрузки и характеризуемой коэффициентом , и осадки уплотнения , пропорциональной нагрузке и характеризуемой коэффициентом .

6.2.б Принципы строительства на вечномерзлых грунтах

Существует два принципа строительства на вечномерзлых грунтах:

I принцип – вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраненном в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения;

II принцип – в качестве оснований знаний и сооружений используются предварительно оттаянные грунты или грунты, оттаивающие в период эксплуатации сооружения.

I принцип применяется в тех случаях, когда расчетные деформации основания в предположении его оттаивания превышают предельное их не удается привести в нормальное состояние конструктивными мерами или улучшением строительных свойств основания. Принцип эффективен, когда грунты находятся в твердомерзлом состоянии и такое состояние может быть сохранено при экономически разумных затратах.

II принцип рекомендуется применять при неглубоком расположении (залегании) скальных грунтов, а также при малосжимаемых мерзлых грунтах при оттаивании (плотные крупнообломочные грунты и пески, пылевато-глинистые грунты твердой и полутвердой консистенции).

Ø При строительстве по I -му принципу для сохранения вечномерзлого состояния оснований используются различные методы.(рис.)

· Подсыпка применяется при вертикальной планировке территорий или устраивается под отдельными зданиями;

· Телпоизоляция в сочетании с другими методами для сооружений, занимающих небольшую площадь;

· Вентилируемые подполья – является основным и наиболее распространенным способом регулирования теплового влияния здания на температурный режим основания, открытые подполья имеют сообщение с наружной средой.

“ – “ В зимний период подполья заносятся снегом, а летом в них поступает теплый воздух, растепляющий основание. Кроме того, от этого возникает неблагоприятный температурный режим во внутренних помещениях 1-ого этажа.

В этом случае более эффективны подполья с регулируемым проветриванием – с продухами.

Зимой продухи открыты, а в летнее время их закрывают.

· Иногда роль вентилируемого подполья выполняют неотапливаемые помещения 1-ого этажа.

· Подсыпки с тубами воздушного охлаждения применяют, главным образом для тепловыделяющих зданий значительных, в плане, размеров. Трубы прокладывают в пределах насыпного слоя и выводятся наружу — в подполье или вблизи стен здания. Охлаждение основания достигается движением по трубам холодного наружного воздуха.

· Промораживающие колонки применяют для предпостроечного промораживания оснований, а также для последующего поддержания в основании заданного температурного режима.

Ø При использовании принципа II на вечномерзлых грунтах существуют два основных подхода

· Предпостроечное оттаивание . Для повышения температуры грунта наиболее часто используют игловое гидро- или парооттаивание, или электрический прогрев с применением электроосмоса и иглофильтрового понижения, оттаивание может быть произведено как в пределах всей площади застройки, так и под отдельными фундаментами, если это обосновано расчетом по деформациям.

· Оттаивание грунтов в процессе эксплуотации сооружений должно применятся с большой осторожностью и подкрепляться тщательным прогнозом температурного режима деформаций оттаивающего основания.

Конструкции и методы устройства фундаментов, возводимых по принципу I.

Применение ФМЗ в этом случае не всегда оправдано по технологическим и экономическим соображениям. Прорезка оттаивающего слоя с заглублением фундамента в вечномерзлые грунты практикуется редко из-за трудоемкости.

Наибольшее распространение получили свайные фундаменты , при условии специальных способов их устройства.

— Буроопускные сваи (рис. а) применяют во всех грунтовых условиях при температуре грунта — 0,5 С. Сначала в основании пробуривают скважины d на 5…10 см привышающий поперечный размер сваи. Затем скважины заполняют грунтовым раствором, после чего погружают в них сваи. После замерзания грунтового раствора свая оказывается в вечномерзлом грунте.

— Бурозабивные сваи (рис. б) устраивают забивкой свай в предварительно пробуренные лидерные скважины, имеющие d несколько меньший . Такие сваи эффективны в пластичномерзлых грунтах, не содержащих крупнообломочных включений.

— Опускные сваи (рис. в) изготавливают методом вмораживания и применяются в твердомерзлых грунтах. Суть метода заключается в том, что сначала производится локальное оттаивание грунта паровой иглой, а затем в оттаивший грунт погружается готовая свая. После промерзания грунта вокруг свая она оказывается вмороженой в грунт.

Сопряжение несущих конструкций со сваями обычно осуществляется с помощью высоких ростверков или специальных свайных оголовков. Иногда совмещают сваю со стойкой каркаса в одну конструкцию – сваю колонну.

· Конструкция и методы устройства фундаментов, возводимых по принципу II, практически не отличаются от применяемых на немерзлых основаниях.

· Мероприятия по борьбе с морозным пучением. Для уменьшения касательных сил пучения фундаменты в пределах деятального слоя покрывают незамерзающими обмазками на основе битума или эпоксидной смолы. Приемлемы и противопучинистые засыпки из сухого гравия, гальки, шлака или засоленной глины, имеющей пониженную температуру замерзания. Конструктивным мероприятием является заанкерирование фундаментов в вечномерзлый грунт, что достигается увеличением глубины заложения. При этом проверяется прочность фундамента на разрыв от действия сил пучения.

6.2. Фундаменты на лессовых и просадочных грунтах

· Трудность строительства сооружений на лессовых просадочных грунтах состоит в том, что при обводнении грунтов в основании сооружений происходят большие и часто не равномерные деформации, называемые просадками.

В результате сооружения разрушаются и становятся непригодными для дальнейшей эксплуатации.

· Просадки лессовых грунтов возникают при одновременном воздействии двух факторов:

1. нагрузок от сооружений и собственного веса грузовой просадочной толщи, и

2. замачивания при подъеме горизонта подземных вод или за счет внешних источников (атмосферные осадки, промышленые сбросы, утечки и т.д.)

· Просадочные свойства проявляются в лессах только при достижении влажностью некоторого предела , называемого начальной просадочной влажностью.

· Просадочность грунтов часто оценивается показателем просадочности

где e — коэффициент пористости грунта природного сложения и влажности

— коэффициент пористости, соответcтвующий влажности на границе текучести и определяемый по формуле:

где — соотвецтвенно плотность твердых частиц и воды

Показатель просадочности является номенклатурным признаком и лишь определяет склонность грунта к просадкам, не позволяя достоверно дать величину возможной просадки грунта.

· Явление просадки можно наглядно представить на рисунке

аб – практически прямолинейный участок представляет зависимость осадков от давления под подошвой фундамента

бв – участок соотвецтвующей полной просадке грунта под нагрузкой после замачивания

· Важно отметить, что если увеличение осадков связано с ростом нагрузки, то просадка развивается при постоянной нагрузке.

· Полная деформация просадочного основания равна сумме осадки S при естественной влажности грунта и просадки грунта при его замачивании

Характеристики просадочных свойств.

· К числу основных характеристик относится относительная просадочность , начальное просадочное давление , начальная просадочная влажность .

· Относительная просадочность определяется по результатам испытаний грунтов в компрессионных приборах с замачиванием образцов.

Она представляет собой относительное сжатие грунта при заданых давлениях и степени повышения влажности и определяется по формуле:

– применяется при природном W, после замачивания

— примняется после замачивания

— применяется при природном W,после обжатия

Грунт считается просадочным при условии 0.01

Относительная просадочность зависит от давления, степени плотности грунта природной влажности и его состава, степени повышения влажности.

· Начальное просадочное давление — это давление, при котором относительная просадочность , т.е. при котором грунт считается просадочным.

легко устанавливается из графика зависимости от давления Р (рис.15.9. б), который в свою очередь строится при испытаниях образцов лессового грунта в компрессионных испытаниях с замачиванием при различных нагрузках. Эта характеристика является очень важной при расчете просадок.

· За начальную просадочную влажность по аналогии принимается влажность, при которой в условиях заданных давлений относительная просадочность равна 0.01.

· При расчете оснований и фундаментов на просадочных грунтах по II предельному состоянию требуется выполнение условия : , при этом давление зависимости от предпологаемого состояния грунтов по влажности, т.к. замачивание приводит к значительному снижению прочностных характеристик, а следовательно, существенному уменьшению их расчетного сопротивления и несущей способности.

Так например, за счет разрушения структурных связей особенно резко (в 6…10 раз) снижается сцепление при относительно небольшом (в 1,05…1,2 раза) уменьшении угла внутреннего трения.

Принципы строительства на просадочных грунтах

В первую очередь при проектировании оснований и фундаментов зданий на просадочных грунтах учитывают возможность их умачивания и возникновения просадочных деформаций.

Надежность и нормальная эксплуотация зданий достигается применением одного из следующих принципов :

· Осуществление комплекса мероприятий, включающего подготовку основания, (в водозащитные и конструктивные мероприятия входят: компановка генплана; планировка застраиваемых территорий; устройство под зданиями маловодопроницаемых экранов; качественная засыпка водонепроницаемых котлованов и траншей; устройство вокруг зданий водонепроницаемых отмосток; отвод аварийных вод за прделы зданий и в ливнесточную сеть.)

Конструктивные мероприятия объединяют в группы по составу и способам осуществления традиционных, для строительства, в особых грунтовых условиях.

Для жестких зданий:

— эта разрезка зданий осадочными швами на отсеки

— устройство железо – бетонных поясов и армированных швов

— усиление фундаментно – подвальной части путем применения монолитных или сборно – монолитных фундаментов

Для податливых и гибких зданий:

— мероприятия по дополнительному увеличению потдатливости (введение гибких связей;повышение площади операния)

— место, обеспечивающие нормальную эксплуотацию зданий при возможных, часто неравномерных просадок. Для этого применяют конструктивные решения, позволяющие в короткие сроки восстановить после неравномерных просадок нормальную эксплуотаию кранов, лифтов, оборудования, путем рихтовки подкрановых путей и направляющих лифтов, поднятия опор домкратом.

6.2.б Улучшение строительных свойств просадочных грунтов

достигается их уплотнением или закреплением, устройством грунтовых подушек.

— Эффективным способом является уплотнение тяжелыми трамбовками. Но следует помнить, что удары тяжелых трамбовок создают колебания в грунтовом массиве и учитывать при уплотнении грунта внутри существующих зданий.

— Устройство грунтовых подушек обеспечивает создание в основании фундаментов слоя непросадочного грунта.

— Двухслойное уплотнение путем сочетания поверхностного уплотнения тяжелой трамбовкой и устройства по верху уплотненного слоя грунта грунтовой подушки

— Могут устраиваться и фундаменты в вытрамбованных котлованах, фундаментов в виде пирамидальных свай и забивных блоков.

— Применяются поверхностное уплотнение подводными взрывами.

— Уплотнение предварительным замачиванием (на больших территориях вновь застраиваемых площадках)

— Широко используют уплотнение оснований пробивкой скважин (грунтовые сваи) и глубинными взрывами

— Для закрепления просадочных грунтов применяют матоды однорастворной силикатизации или термообжига.

· Прорезка просадочных грунтов обычно осуществляется с помощью свайных фундаментов.

— Целесообразно применение забивных и, особенно, конических и пирамидальных свай, а также набивных свай в пробитых или полученных путем уплотнения грунтов взрывами зарядов в скважинах.

— Сваи должны полностью прорезать просадочную толщу и опираться на подстилающие грунты повышенной сложности и НС (плотные глинистые грунты, гравий, плотные пески).

— Неполная прорезка просадочных грунтов сваями допускается лишь в тех случаях, если расчетные деформации не превышают допустимых величин.

— НС свай в просадочных грунтах определяют, как правило, путем статических испытаний, возможно воспользоваться также и данными статического зондирования. В обоих случаях перед началом испытаний грунт замачивают до полного водонасыщения.

6.3. Фундаменты на набухающих грунтах

· Многие виды пылевато-глинистых грунтов твердой и полутвердой консистенций при замачивании водой (и особенно, растворами серной кислоты) увеличиваются в объеме. В процессе набухания происходит подъем поверхности грунта, что приводит к деформациям, обычно неравномерным. Кроме того, при набухании грунты способны оказывать дополнительное боковое давление на ограждающие конструкции (до 200 кПа), а при снижении влажности набухающие грунты дают усадку , уменьшая свой объем.

· Для набухающих грунтов, кроме обычных физико-механических характеристик, определяют и специальные характеристики набухания и осадки.

— Относительное набухание исследуется в компресионных приборах по похожей методике (см. ранее)

Относительное набухание определяют при различных уплотняющих давлениях p и вычисляют по формуле:

где h – высота образца грунта природного состояния, обжатого давлением p ;

h ’ – то же, после набухания образца.

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

· По относительному набуханию , определенному для необжатого образца, то есть p =0, грунты классифицируются на:

• ненабухающие 0,04
• слабонабухающие 0,040,08
• средненабухающие 0,080,12
• сильнонабухающиее

— Давление набухания P_sw соответствует давлению, возникающему при замачивании грунта в замкнутом объеме, то есть при отсутствии деформации.

· Подъем основания при набухании грунта h_sw определяют методом послойного суммирования. 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.

6.3.а Водозащитные мероприятия

— устраивают отмостки вокруг зданий шириной 2…3 м

— применяют водонепроницаемые экраны над всем сооружением из полимерных материалов, либо из асфальта

— Заключают водопроводные иканализационные трубы в железобетонные лотки и т.п.

6.3.б Улучшение свойств оснований

— При небольших толщах набухающих грунтов применяют предварительное замачивание и строительство ведется как на водонасыщенных не набухающих грунтах (материалом грунтовых подушек должна служить пылевато-глинистые набухающие грунты).

— Компенсирующие подушки применяются для уменьшения неравномерности подъема фундаментов (материал: любые, кроме пылевых, пески).

Принцип работы компенсирующей подушки состоит в следующем. Так как ширина песчанной подушки превышает ширину фундамента, при набухании грунта происходит выпирание песка между фундаментом истенкой 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. Для избежания подъема, длина свай должна быть назначена таким образом, чтобы силы набухания, направленные вверх по боковой поверхности свай, были меньше, чем … нагрузок от сооружения и силы сопротивления по боковой поверхности в нижней части сваи, заглубленной в ненабухающие грунты. Для увеличения сил сопротивления в заделанной части сваи можно применять винтовые сваи или сваи с улучшенной пятой.

К конструктивным мероприятиям относится увеличение жесткости здания путем разбивки их на отдельные отсеки ………..крупнопанельных зданий осадочными швами на отсеки длиной менее 30м, армирование поясов, устраиваемых в нескольких уровнях по высоте.

Источник