Мустафаев фундаменты на просадочных и набухающих грунтах
Обновлено: 03.05.2024
В толще сильносжимаемых грунтов проектируют, как правило, свайные фундаменты таких же конструкций, какие применяют в обычных грунтах, но с учетом большой сжимаемости основания, медленного протекания осадок во времени, существенной изменчивости прочностных, деформационных и фильтрационных характеристик грунтов под воздействием нагрузок. В местах залегания заторфованных грунтов находящиеся в их толще воды, как правило, являются сильно агрессивными по отношению к материалам фундаментов, что приходится принимать во внимание при выборе материалов и методов их защиты от агрессивного воздействия среды. В илах требуется учитывать влияние тиксотропных изменений, вызывающих временное разжижение грунтов от динамического воздействия на них забивки свай, и влияние последующего засасывания их спустя некоторое время после прекращения воздействия.
В местах залегания большой толщи (40—50 м и более) сильносжимаемых грунтов, когда забивка через нее свай до опирания их низа на малосжимаемые грунты является практически невозможной или экономически нецелесообразной, применяют фундаменты из сплошных или полых висячих вертикальных и наклонных свай с размером поперечного сечения 0,4—0,8 м. Независимо от того, расположен ростверк над поверхностью сильносжимаемого грунта или в его толще, расчеты фундаментов производят по схеме высокого ростверка.
Фундаменты на сильносжимаемых грунтах проектируют, учитывая следующие обстоятельства: в процессе забивки свай сильносжимаемые грунты почти не уплотняются вокруг свай и под их нижним концом; в илах и ленточных глинах с течением времени происходит засасывание погруженных свай; несущая способность свай определяется главным образом сопротивлением грунта по их боковой поверхности; осадки свайных фундаментов существенно увеличиваются с течением времени.
Вследствие засасывания несущая способность свай в сильносжимаемых грунтах может увеличиваться в 6— 10 раз по сравнению с начальной в момент окончания погружения свай, что объясняется увеличением сил трения грунта о их боковую поверхность спустя 1—2 месяца по окончании свайных работ. После завершения процесса засасывания сваи в зависимости от ее относительного заглубления (отношения глубины погружения к размеру поперечного сечения) до 95% нагрузки воспринимается силами трения грунта о ее боковую поверхность, а остальная часть нагрузки воспринимается грунтом под нижним концом сваи.
Если в минеральных сильносжимаемых грунтах применяют висячие сваи, не доводя их нижний конец до более плотных грунтов, то в торфах и заторфованных грунтах этого не делают. Объясняется это тем, что в пределах торфов не происходит засасывания свай, а, главное, торфы под действием силы тяжести с течением времени значительно больше уплотняются по сравнению с минеральными грунтами, особенно в случаях осушения местности или пригрузки поверхности торфов. В связи с этим во всех случаях применения свайных фундаментов в торфах и заторфованных грунтах низ свай всегда заглубляют в минеральный грунт с достаточно высокой несущей способностью даже в тех случаях, когда для этого требуется применить сваи большой длины.
Отечественный и зарубежный опыт фундаментостроения подтверждает экономическую целесообразность прорезки однородной или переслаивающейся толщи (с включением тонких прослоек плотных грунтов) сильносжимаемых грунтов. Если такие грунты подстилаются грунтами средней прочности, залегающими на значительную глубину, то для уменьшения длины свай на их нижнем конце устраивают уширение разного конструктивного оформления в зависимости от материала свай.
При наличии в массиве грунта, прорезаемого сваями, прослоек погребенного торфа или других грунтов с повышенной степенью сжимаемости будет происходить их уплотнение и как следствие этого такие грунты и покровные слои грунтов, расположенные выше прослоек (вследствие проявления сил негативного трения о боковую поверхность сваи), будут зависать на сваях, низ которых заглублен в подстилающие грунты средней или высокой прочности. Аналогичное явление будет наблюдаться также в однородной толще сильносжимаемых грунтов вследствие их естественного уплотнения под воздействием силы тяжести. Торфы и заторфованные грунты уплотняются быстрее и больше, минеральные грунты — медленнее.
Чтобы проявились силы негативного трения, окружающему массиву грунта достаточно сместиться на 0,5—1 см относительно боковой поверхности свай. Из-за этого в расчетах несущей способности свай по грунту следует учитывать дополнительную нагрузку от веса зависающего грунта согласно указаниям СНиП 2.02.03—85.
Вследствие низкой сопротивляемости сильносжимаемых грунтов боковым перемещениям нагруженных свай в фундаментах мостов применяют наклонные сваи. В грунтах, имеющих прослойки с повышенной сжимаемостью, вышерасположенные зависающие слои грунтов кроме создания дополнительной осевой нагрузки на наклонные сваи будут изгибать их, поэтому в расчетах фундаментов, особенно при большой длине и большом наклоне свай малого поперечного сечения, приходится учитывать дополнительные усилия от изгиба.
Несущую способность висячих свай определяют по результатам испытаний их статической нагрузкой спустя некоторое время после окончания забивки.
Несущую способность свай, прорезающих сильносжимаемые грунты и опирающихся на более прочные пласты, определяют по расчетному отказу с уточнением при необходимости по результатам статических испытаний.
В пособии на базе новейших экспериментальных и теоретических исследований излагается современная методика расчета фундаментов зданий и сооружений на просадочных и набухающих грунтах. Приведены сведения о физико-механических свойствах, закономерностях фильтрации и деформируемости просадочных и набухающих грунтов. Даны решения характерных численных примеров.
Предисловие
Основные условные обозначения
Введение
Раздел I. Фундаменты на просадочных грунтах
Глава 1. Природа, состав, физико-механические и просадочные свойства лессовых грунтов
1.1. Природные особенности лессовых просадочных грунтов
1.2. Состав и структура лессовых просадочных грунтов
1.3. Физико-механические характеристики лессовых просадочных грунтов
1.4. Природа, сущность и характер протекания просадочных деформаций
1.5. Принятая методика прогноза просадки
Глава 2. Теоретические основы процессов увлажнения и просадки лессовых грунтов
2.1. О физической природе явления просадки
2.2. Возможные постановки задач о просадке
2.3. Закономерности движения влаги в грунтах при неполном их водонасыщении
2.4. Обобщенный закон Дарси. Уравнение насыщенности грунта
2.5. Методы решения уравнения насыщенности грунта
2.6. О некоторых упрощенных приемах решения уравнения насыщенности грунта
2.7. Одномерное неустановившееся движение сплошного фильтрационного потока (задача В.В. Ведерникова — П.Я. Полубариновой-Кочиной)
2.8. Дифференциальное уравнение процесса увлажнения лессовых грунтов (без учета просадки)
2.9. Одномерное увлажнение толщи лессовых грунтов
2.10. Экспериментальный метод определения коэффициента влагопроводности
2.11. Двухмерное увлажнение толщи лессовых грунтов
2.12. Дифференциальное уравнение процесса увлажнения лессовых грунтов (с учетом просадки)
2.13. Уравнение неразрывности просадочных деформаций
2.14. Фронт смачивания при просадке
2.15. Распространение влаги при просадке
2.16. Приближенный метод решения нестационарных задач увлажнения толщи просадочных грунтов
Глава 3. Закономерности деформирования лессовых грунтов в условиях природного напряженного состояния
3.1. Закономерности динамики просадки
3.2. Закономерности инфильтрации в процессе просадки
3.3. Влияние геометрии источника увлажнения на динамику просадки
3.4. Взаимосвязь просадки с инфильтрацией
3.5. Влияние режима увлажнения на закономерности инфильтрации н просадки
3.6. Критериальные соотношения процессов инфильтрации и просадки
Глава 4. Реологические основы механики просадочных грунтов
4.1. Основные физические предпосылки механики сплошной среды
4.2. Реологическая природа процесса просадки
4.3. Обработка результатов опыта теорией линейной наследственной ползучести
4.4. Реологические модели просадочного грунта
4.5. Дифференциальные уравнения процесса просадки
4.6. Замыкающее уравнение
4.7. Начальные и граничные условия процесса просадки
4.8. Метод анализа уравнений для установления критериев подобия процесса просадки
4.9. Метод анализа размерностей для установления критериев подобия процесса просадки
4.10. Экспериментальные исследования процесса просадки в центробежном силовом поле
Глава 5. Инженерные методы прогноза просадки
5.1. Зависимость между относительной просадкой и уплотняющим напряжением
5.2. Функция влажности при одномерном увлажнении толщи лессовых грунтов
5.3. Начальное давление просадки
5.4. Начальная влажность просадки
5.5. Условия возникновения просадки
5.6. Прогноз периодов возникновения и стабилизации просадки. Изменение просадки во времени
5.7. Прогноз динамики просадки с учетом «арочного эффекта»
5.8. Прогноз конечной просадки в условиях природного напряженного состояния
5.9. Проверка достоверности расчетных формул по результатам натурных опытов
5.10. Прогноз конечной просадки в основаниях зданий и сооружений
5.11. Закономерности просадки в основаниях жестких фундаментов
Глава 6. Прочность и несущая способность просадочных грунтов
6.1. Параметры прочности просадочных грунтов
6.2. Критерий просадочности лессовых грунтов
6.3. Прочность просадочных грунтов
6.4. Несущая способность просадочных грунтов
6.5. О принципе «наложения» в расчетах просадки
6.6. Принцип «эквивалентности»
6.7. Графическая интерпретация принципа «эквивалентности». Формула эквивалентной нагрузки
Глава 7. Прогноз просадки при подъеме уровня подземных вод
7.1. Состояние вопроса
7.2. Аналитическое описание изменения очертаний бугра подземных вод во времени
7.3. Влияние просадки на природное напряженное состояние лессового грунта
7.4. Расчетная схема для равномерного подъема уровня подземных вод
7.5. Расчетная схема для местного куполообразного подъема уровня грунтовых вод
7.6. Условия «вторжения» подземного потока в активную зону оснований
7.7. Прогноз просадки в условиях природного напряженного состояния лессового грунта
7.8. Прогноз просадки в основаниях сооружений
Глава 8. Расчет фундаментов на просадочных грунтах
8.1. О модели местных упругих деформаций грунтов основания
8.2. Закономерности изменения жесткости увлажняемых просадочных грунтов в основаниях зданий и сооружений
8.3. Дифференциальное уравнение поперечного изгиба ленточных фундаментов на просадочных грунтах первого типа
8.4. Построение общего решения задачи
8.5. Дифференциальное уравнение продольно-поперечного изгиба ленточных фундаментов на просадочных грунтах второго типа
8.6. Построение общего решения задачи
8.7. Расчет ленточных фундаментов на просадочных грунтах второго типа
Раздел II. Фундаменты на набухающих грунтах
Глава 9. Природа набухающих глинистых грунтов и закономерности их деформирования
9.1. Природа н механизм процесса набухания глинистых грунтов
9.2. Закономерности инфильтрационного поглощения влаги в глинистых грунтах
9.3. Закономерности деформирования глинистых грунтов при набухании и усадке
Глава 10. Прогноз напряженно-деформированного состояния глинистых грунтов при их набухании
10.1. Математическая формулировка задачи о напряженно-деформированном состоянии набухающих грунтов
10.2. Принятая методика прогноза деформации оснований, сложенных набухающими грунтами
10.3. Другие рекомендации для прогноза набухания в основаниях сооружений
10.4. Определение зон деформаций в основаниях зданий и сооружений
10.5. О характере деформаций поверхности набухающих грунтов оснований
Глава 11. Расчет фундаментов на набухающих грунтах согласно модели местных упругих деформаций
11.1. Состояние вопроса
11.2. О коэффициенте жесткости набухающих грунтов основания
11.3. Математическая постановка задачи расчета ленточных фундаментов на набухающих грунтах
11.4. Построение общего решения сформулированной задачи
11.5. Изгиб балочного фундамента на набухающих грунтах под действием равномерно распределенной нагрузки
11.6. Примеры расчета балочных фундаментов
11.7. Расчетная модель воздействия деформаций набухания и усадки на гибкие ленточные фундаменты
11.8. Математическая формулировка задачи расчета ленточных фундаментов на воздействие набухания и усадки грунтов основания
11.9. Построение общего решения сформулированной задачи
Глава 12. Расчет фундаментов на набухающих грунтах, согласно модели эквивалентных нагрузок
12.1. Модель эквивалентных нагрузок
12.2. Расчетные схемы ленточных фундаментов на набухающих грунтах при различных случаях расположения источника увлажнения основания
12.3. Выбор метода расчета
12.4. Переход от условных эпюр к реальным
12.5. Расчет ленточных фундаментов методом местных упругих деформаций
12.6. Расчет ленточных фундаментов методом общих упругих деформаций
12.7. Примеры расчета гибких ленточных фундаментов на воздействие набухания
Глава 13. Реология набухающих грунтов
13.1. Постановка экспериментальных исследований по Изучению реологической особенности деформирования глинистых грунтов при их набухании
13.2. Обработка результатов опытов согласно теории старения
13.3. Обработка результатов опытов согласно теории линейной наследственной ползучести
13.4. Обработка результатов опытов согласно теории нелинейной наследственной ползучести
13.5. Исходные предпосылки для прогноза деформации набухания в основаниях сооружений
13.6. Прогноз изменения набухания в основаниях сооружений
13.7. Решение примеров по предлагаемой методике
Глава 14. Расчет фундаментов на набухающих грунтах с учетом реологической особенности их деформирования
14.1. Еще раз о теории наследственной реологии
14.2. Уравнение изгиба ленточных фундаментов на набухающих грунтах
14.3. Построение общего решения сформулированной задачи
14.4. Расчет ленточных фундаментов на различные воздействия набухания грунтов основания
14.5. Решение численных примеров
Глава 15. Влияние набухания грунтов основания на напряженно-деформированное состояние одиночных свай
15.1. Необходимые для расчета зависимости
15.2. Определение зоны набухания вокруг висячих свай
15.3. Определение ожидаемой величины подъема грунта вокруг одиночных висячих свай
15.4. Три характерных случая расположения набухающего слоя грунта
15.5. Дифференциальное уравнение вертикально загруженных одиночных свай в глинистых набухающих грунтах
15.6. Построение решения для первого участка сваи
15.7. Построение решения для второго участка сваи
15.8. Определение постоянных интегрирования
15.9. Свая в неоднородной грунтовой среде
15.10. Предельная нагрузка на сваю
15.11. Определение напряжений по длине сваи
15.12. Определение положения нейтральной точки
15.13. Определение силы выпора
15.14. Решение Численных примеров по рекомендуемым формулам
15.15. Продольно-поперечный изгиб одиночных гибких свай в набухающих грунтах
15.16. Случай действия на сваю только горизонтальной нагрузки
15.17. Поперечный изгиб сваи без учета влияния давления набухания
15.18. Поперечный изгиб сваи ниже набухающего слоя грунта
15.19. Поперечный изгиб сваи в набухающем слое грунта
15.20. Определение неизвестных начальных параметров задачи
Заключение
Приложение
Литература
Именной указатель
Предметный указатель
Сильносжимаемые, просадочные и набухающие грунты, которые иногда называют «слабыми грунтами», относятся к категории грунтов с неустойчивой структурой, которая может существенно изменяться под влиянием внешних факторов как в период постройки сооружений, так и во время их эксплуатации. Такими факторами являются механические и физические воздействия на грунт. К механическим воздействиям относятся статические и динамические нагрузки, к физическим — изменения степени влажности грунта.
Сильносжимаемые грунты значительно уплотняются под воздействием внешней нагрузки. К таким грунтам относят илы, торфы, заторфованные и насыпные грунты, ленточные озерно-ледниковые глины. Просадочные грунты характеризуются быстро протекающим уплотнением (просадкой) в результате замачивания толщи и воздействия приложенной к ней внешней нагрузки или только собственного веса. Этими свойствами обладают лессовые и лессовидные грунты. Набухающим грунтам, преимущественно глинам, свойственно увеличение объема при их замачивании.
Илы являются глинистыми грунтами в начальной стадии их формирования, образовавшимися в результате осаждения в относительно спокойной воде мелких минеральных частиц при одновременном протекании в этих осадках микробиологических процессов. Отличительным признаком илов является также наличие органического вещества в виде гумуса (полностью разложившихся остатков растительных и животных организмов), содержание которого в илах, как правило, не превышает 10%. Различают илы современные — менее уплотненные, залегающие в большинстве случаев непосредственно на дне водоемов, и древние — более уплотненные, покрытые позднейшими отложениями.
Заторфованные грунты и торфы занимают примерно 20% территории СССР преимущественно на севере и северо-западе страны, в Сибири и в Белоруссии. Различают открытые торфы, представляющие сплошные торфяные залежи, и погребенные торфы, которые прикрыты или переслаиваются наносными отложениями минеральных грунтов. Вследствие длительного процесса уплотнения под воздействием веса вышележащей толщи грунтов погребенные торфы по сравнению с открытыми имеют большую на 20—30% плотность, почти в 5 раз меньшую влажность и в 30—40 раз меньший коэффициент сжимаемости. По мере отжатия воды из торфов и заторфованных грунтов резко возрастает их осадка без увеличения внешней нагрузки. Особенно наглядно это проявляется в случае понижения уровня подземных вод при дренажных работах, когда наблюдается быстрый и неравномерный рост осадки построенных на таких грунтах сооружений. Например, построенные на торфах отдельные деревянные здания с давлением на грунт менее 50 кПа при дренажном осушении территории просели на 2—3 м и одновременно перекосились на 0,3—1,3 м, что вызвало их полное разрушение. Было отмечено, что наибольшая часть осадки (0,7—2 м) произошла в период рытья осушительных канав. В дальнейшем за 1—2 года осадка достигла 10—50% толщины сжимаемого слоя торфа и распространилась, постепенно уменьшаясь, на 10—20 м в стороны от дренажных канав.
Ленточные озерно-ледниковые отложения образовались в период таяния ледников в спокойных водных бассейнах, в которых осаждались взвешенные осадки, перемещаемые талыми водами: в период летнего таяния — более крупные песчаные и пылеватые частицы, в зимний период — глинистые частицы. В результате этого сформировались ленточные отложения с ярко выраженными перемежающимися тонкими горизонтально расположенными песчаными и глинистыми слоями толщиной от нескольких миллиметров до 1 см. По механическому составу ленточные отложения представляют собой глины, суглинки и супеси. Они залегают пластами мощностью от нескольких десятков сантиметров до нескольких десятков метров. Ленточные глины распространены на территории, которая в ледниковый период была покрыта льдом, главным образом на северо-западе европейской части СССР и северо-западе Сибири. Удельный вес глин 17,5—20 кН/м 3 , консистенция в большинстве случаев пластичная, а также текучая. При нарушении структуры (перемятии) пластичных глин они становятся текучими. Ленточные глины подвержены морозному пучению. Общая толщина прослоек льда в них может достигать 10—20 см и более на 1 м глубины промерзания.
Иногда возникает необходимость возводить фундаменты на насыпных грунтах. К насыпным относятся однородные грунты, отсыпанные с послойным уплотнением (или намытые методом гидромеханизации); грунты, получаемые при рытье котлованов или проходке горных выработок, а также шлаки, золы, отходы обогащения полезных ископаемых, строительный мусор и бытовые отбросы. Сжимаемость насыпных грунтов может сильно различаться даже в пределах небольшого участка. Характерной особенностью насыпных грунтов является их постепенное самоуплотнение под влиянием естественного периодического увлажнения атмосферными осадками и под действием силы тяжести. По давности отсыпки насыпные грунты подразделяют на слежавшиеся, в которых процесс самоуплотнения закончился, и неслежавшиеся, в которых этот процесс продолжается. Самоуплотнение песчаных грунтов протекает от 2 до 5 лет, глинистых — 5—10 лет и более, различных отходов производства — от 2 до 15 лет.
Просадочные лессовые грунты образовались преимущественно из отложений пыли, переносимой ветром на соседние с пустынями и полупустынями области с сухим климатом и соответствующей растительностью. Характерной особенностью лессовых грунтов является наличие видимых глазом мелких и крупных вертикальных пор, называемых макропорами, размеры поперечного сечения которых (более 0,5 мм) значительно больше размеров частиц грунта (0,05—0,005 мм). В сухом состоянии лессовые грунты хорошо сохраняют вертикальные откосы, которые при замачивании быстро размокают и оползают.
Лессовые грунты имеются на всех материках, но особенно много их в Европе, Азии, Северной и Южной Америке. Ими заняты значительные площади в Средней Азии, на Украине, на Кавказе и в других районах страны — примерно около 15% территории СССР. Лессовые грунты залегают массивами толщиной от нескольких десятков метров до 100 м и даже более. Чаще встречаются массивы толщиной 10—25 м. Эти грунты, как правило, подстилаются песками, галечниками или глинами.
По характеру сложения лессовые грунты разделяются на слоистые и неслоистые. В их толще часто встречаются два-три погребенных почвенных горизонта, которые разделяют ее на ярусы. Кроме того, в толще могут быть прослойки и линзы из супесей, песка, галечника и гравия. Такие включения более свойственны толщам, расположенным вблизи гор. Пористость лессовых грунтов колеблется от 30 до 58%, но чаще бывает 44—53%. Непросадочные грунты имеют пористость менее 40%. С глубиной их пористость уменьшается. Удельный вес лессовых грунтов природной влажности, зависящий от их минерального состава, структуры и содержания воды в грунту, колеблется от 13,3 до 20,3 кН/м 3 (чаше 14,3—15Д кН/м 3 ). Природная влажность грунтов изменяется от 5 до 30%. С увеличением влажности лессовые грунты из твердых становятся пластичными и текучими. При этом их несущая способность снижается в 2—10 раз и более. Примерно во столько же раз увеличивается осадка, которую в этом случае называют просадкой. Характерной особенностью просадки является быстрое протекание осадки вследствие интенсивного ослабления внутренних связей между частицами грунта в результате его замачивания. Величина просадки зависит как от степени просадочности грунтов, так и от мощности просадочной толщи и степени ее увлажнения. Преобладающая часть просадки происходит непосредственно при продвижении фронта замачивания. Процесс замачивания может происходить при увлажнении толщи грунта сверху (атмосферными, техническими или хозяйственными водами) или снизу (при подъеме уровня подземных вод).
По характеру реагирования на увлажнение различают непросадочные и просадочные лессовые грунты. Непросадочные лессовые грунты распространены достаточно широко и часто встречаются в понижениях рельефа, в местах постоянных и периодически действующих водотоков. Непросадочными обычно являются нижние части лессовых толщ. К непросадочным относят грунты, которые, находясь в напряженном состоянии от воздействия внешней нагрузки или их собственного веса, при замачивании водой дополнительно деформируются незначительно — дают просадку величиной менее 0,01 (относительной просадочности).
К набухающим грунтам относятся глинистые отложения, характерной особенностью которых является повышенная плотность и высокое содержание (65—85%) глинистых частиц размером менее 0,005 мм. Такие грунты встречаются в Поволжье, на Северном Кавказе, в Казахстане, Крыму. Районы значительного распространения набухающих грунтов имеются в Индии, Ираке» Канаде, США и других странах. В природном залегании эти грунты (глины) характеризуются твердой и тугопластичной консистенцией при удельном весе от 19,5 до 20,5 кН/м 3 . Пористость грунтов находится в пределах от 41 до 48% при влажности 15—18% в кровле и 25—30% в средних слоях и подошве толщи. В результате увлажнения этих глин их объем увеличивается на 12—25%, а в отдельных случаях на 30—36%. Вследствие набухания удельный вес глин уменьшается до 17,7—18,7 кН/м 3 , а пористость увеличивается до 50—58%. Влажность грунта возрастает до 36—48% и указывает на переход глин в пластичное состояние, что резко снижает их несущую способность.
Значение нормальных сил набухания глин в природном залегании достигает под торцом свай 350—400 кПа, а касательных (по боковой поверхности свай) — 30— 37 кПа. Разуплотняясь при набухании, глины поднимают толщу вышележащих покровных грунтов, которые, в свою очередь, стремятся поднять плиту фундамента или торец свай.
Характерной особенностью просадочных и набухающих грунтов является резкое снижение их несущей способности при замачивании. Применительно к условиям строительства фундаментов мостов возможны случаи максимального и минимального замачивания грунтов. Первый случай характерен для постоянных и периодически действующих водотоков, второй — для суходолов. В первом случае грунты за многие годы обводнились в достаточной степени, и поэтому изменения гидрологического режима водотоков не будут оказывать заметного влияния на несущую способность построенных фундаментов. Во втором случае, охватывающем строительство путепроводов, эстакад, а иногда и малых мостов на периодически действующих водотоках в районах с сухим климатом, например в Средней Азии, не предусмотренное проектом фундаментов замачивание грунтов может привести к резкому уменьшению несущей способности оснований и проявлению значительных деформаций сооружений.
При проектировании фундаментов в местах залегания просадочных грунтов необходимо учитывать возможность их замачивания и связанного с этим увеличения осадки в результате: 1) местного замачивания грунтов основания, приводящего к просадке их на ограниченной площади в пределах части или, реже, всей просадочной толщи; 2) интенсивного замачивания грунтов основания с промачиванием всей просадочной толщи на площади значительных размеров и полным проявлением просадки грунтов как от нагрузки, передаваемой фундаментами, так и от собственного веса грунтов; 3) подъема уровня подземных вод, вызывающего просадку нижних слоев грунта основания под действием веса вышележащих слоев или суммарной нагрузки от фундамента сооружения и собственного веса грунтов.
При проектировании фундаментов в толще набухающих грунтов необходимо учитывать, что объем таких грунтов при замачивании увеличивается, а при понижении влажности уменьшается. Степень набухания грунтов основания зависит от давления на них фундамента, вида и состояния грунтов, толщины их слоя и площади замачивания.
Деформация оснований, сложенных набухающими грунтами, может происходить по следующим причинам: 1) набухание вследствие увлажнения грунтов атмосферными и производственными водами или в результате подъема уровня подземных вод; 2) накопление влаги под подошвой фундамента мелкого заложения или под ростверком свайного фундамента вследствие недоброкачественного уплотнения засыпки грунта в пазухах между боковыми поверхностями котлована и фундамента; 3) набухание и осадка грунта в верхней части зоны аэрации в результате изменения водно-теплового режима под воздействием сезонных и климатических факторов. В связи с этим для опор мостов стремятся применять, как правило, свайные фундаменты.
Конструирование и расчет свайных фундаментов на непросадочных лессовых или набухающих грунтах для опор мостов через постоянные и периодически действующие водотоки производят по методике, принятой для фундаментов на глинистых грунтах соответствующей влажности. В зависимости от консистенции и характера напластования грунтов для устройства фундаментов применяют вертикальные и наклонные сваи, оболочки и столбы.
Проектируя фундаменты опор мостов, стремятся везде, где это возможно, прорезать толщу просадочных или набухающих грунтов и опереть низ элементов на мало-сжимаемые грунты, несущая способность которых не уменьшается при замачивании. В зависимости от местных условий ростверк фундаментов располагают над поверхностью грунта или в грунте.
Если прорезка большой толщи просадочных грунтов в конкретных местных условиях строительства сооружений экономически нецелесообразна, то в грунтовых условиях I типа по просадочности допускается применять фундаменты из элементов, низ которых будет заглублен в слой грунта с относительной проса дойностью менее 0,01.
Несущую способность свай, оболочек и столбов в просадочных грунтах, которые могут подвергнуться замачиванию в период эксплуатации сооружений, следует определять на основании результатов статических испытаний, выполненных с полным замачиванием просадочного грунта вокруг испытываемых свай, оболочек, столбов. Не допускается принимать несущую способность свай и оболочек в просадочных грунтах на основании результатов их динамических испытаний, а также определять расчетные сопротивления грунтов по данным результатов полевых испытаний методом зондирования.
В набухающих грунтах фундаменты опор мостов следует проектировать исходя из необходимости исключения возможности подъема фундаментов в случае увеличения влажности грунтов основания. Между поверхностью набухающих грунтов и подошвой ростверка свайного фундамента следует оставлять зазор не менее 0,5 м, чтобы исключить воздействие сил нормального давления от набухания грунта, которые могут достигать 0,4 МПа.
Вопросы для повторения и самопроверки
1. Какие грунты относят к сильносжимаемым, просадочным и набухающим?
2. Каковы характерные особенности илов, заторфованных грунтов, торфов, ленточных глин, грунтов насыпных, лессовых и набухающих?
3. Как и почему изменяется несущая способность свай, забитых в илы, ленточные глины, слабозаторфованные глинистые грунты?
4. Какие типы фундаментов применяют на сильносжимаемых, просадочных и набухающих грунтах и почему?
5. Почему рекомендуют везде, где это практически возможно, прорезать сваями насквозь толщу сильносжимаемых, просадочных и набухающих грунтов и опирать низ свай на грунты с достаточно высокой несущей способностью и малой сжимаемостью?
6. Что такое силы негативного трения, когда они проявляются и как их надо учитывать?
7. Какими нормативными документами следует пользоваться при расчетах несущей способности и осадок оснований из сильносжимаемых, просадочных и набухающих грунтов?
6.2.1 Основания, сложенные набухающими грунтами, должны проектироваться с учетом способности таких грунтов при повышении влажности увеличиваться в объеме - набухать. При последующем понижении влажности у набухающих грунтов происходит обратный процесс - усадка.
Необходимо учитывать, что способностью набухать при увеличении влажности обладают некоторые виды шлаков (например, шлаки электроплавильных производств), а также обычные глинистые грунты, не набухающие при увеличении влажности, если они замачиваются химическими отходами производств (например, растворами серной кислоты).
Возможность набухания шлаков при их увлажнении и глинистых грунтов при замачивании химическими отходами производств устанавливают опытным путем в лабораторных или полевых условиях.
6.2.2 Набухающие грунты характеризуются относительным набуханием при заданном давлении _sw, давлением набухания p_sw, влажностью набухания w_sw, и относительной усадкой при высыхании _sh.
Указанные характеристики определяют в соответствии с 6.2.7, 6.2.10 и 6.2.16.
6.2.3 При проектировании оснований, сложенных набухающими грунтами, следует учитывать возможность:
- набухания грунтов за счет подъема уровня подземных вод или инфильтрации - увлажнения грунтов производственными или поверхностными водами;
- набухания грунтов за счет накопления влаги под сооружениями в ограниченной по глубине зоне вследствие нарушения природных условий испарения при застройке и асфальтировании территории (экранирование поверхности);
- набухания и усадки грунта в верхней части зоны аэрации - за счет изменения водно-теплового режима (сезонных климатических факторов);
- усадки за счет высыхания от воздействия тепловых источников.
Примечание - При проектировании заглубленных частей сооружений необходимо учитывать горизонтальное давление, возникающее при набухании и усадке грунтов.
6.2.4 Горизонтальное давление p_h, кПа, определяют по формуле
где _c- коэффициент условий работы, равный 0,85;
k_sw - коэффициент, зависящий от интенсивности набухания и принимаемый по таблице 6.1;
p_max,h - максимальное горизонтальное давление, определяемое в лабораторных условиях, кПа.
| Интенсивность набухания за 1 сут, % | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 |
| k_sw | 1,40 | 1,25 | 1,12 | 1,05 | 1,02 | 1,01 | 1,00 |
6.2.5 Основания, сложенные набухающими грунтами, должны рассчитываться в соответствии с требованиями раздела 5.
Деформации основания в результате набухания или усадки грунта должны определяться путем суммирования деформаций отдельных слоев основания согласно 6.2.9 и 6.2.15.
При определении деформаций основания осадка его от внешней нагрузки и возможная осадка от уменьшения влажности набухающего грунта должны суммироваться. Подъем основания в результате набухания грунта определяют в предположении, что осадки основания от внешней нагрузки стабилизировались.
Предельные значения деформаций, вызываемых набуханием (усадкой) грунтов, допускается принимать в соответствии с указаниями приложения Е с учетом требований 5.5.50.
6.2.6 При расчете оснований из набухающих грунтов должны применяться характеристики грунтов при их природной плотности и влажности. При расчете оснований из набухающих грунтов после их предварительного замачивания используют характеристики грунта в замоченном состоянии.
Расчетное сопротивление грунтов оснований, сложенных набухающими грунтами, вычисляют по формуле (5.5). При этом рекомендуется учитывать допустимость его повышения согласно указаниям 5.5.24, что будет способствовать уменьшению подъема фундамента при набухании грунта.
6.2.7 Относительное набухание _sw, давление набухания p_sw и относительную усадку _sh определяют по результатам лабораторных испытаний (ГОСТ 24143) с учетом указанных в 6.2.3 причин набухания или усадки. Эти характеристики могут быть получены также по данным полевых испытаний грунтов штампом (за исключением слабонабухающих грунтов).
6.2.8 Нормативные значения характеристик _sw и _sh набухающих грунтов вычисляют как средние значения результатов их определений (ГОСТ 20522). Расчетные значения этих характеристик допускается принимать равными нормативным (_g = 1).
6.2.9 Подъем основания при набухании грунта h_sw, см, определяют по формуле
где _sw,i- относительное набухание грунта i-го слоя, определяемое в соответствии с 6.2.10;
h_i - толщина i-го слоя грунта, см;
k_sw,i- коэффициент, определяемый в соответствии с 6.2.12;
n - число слоев, на которое разбита зона набухания грунта.
6.2.10 Относительное набухание грунта при инфильтрации влаги определяют по формуле
где h_n - высота образца, см, природной влажности и плотности, обжатого без возможности бокового расширения давлением p, равным суммарному вертикальному напряжению на рассматриваемой глубине (значение определяют в соответствии с 6.2.13);
h_sat - высота того же образца, см, после замачивания до полного водонасыщения и обжатого в тех же условиях.
По результатам испытаний образцов грунта при различном давлении строят зависимости _sw = f(p) и w_sw = f(p) и определяют давление набухания p_sw, соответствующее _sw = 0.
При экранировании поверхности и изменении водно-теплового режима относительное набухание _sw определяют по формуле
где k - коэффициент, определяемый опытным путем (при отсутствии опытных данных принимают равным 2);
w_eq - конечная (установившаяся) влажность грунта, доли единицы, определяемая по 6.2.11;
w_0 и е_0 - соответственно начальные значения влажности и коэффициента пористости грунта, доли единицы.
6.2.11 Значение w_eq i-го слоя при экранировании поверхности определяют по экспериментальной зависимости влажности набухания от нагрузки w_sw = f(p) при давлении p_i, кПа, вычисляемом по формуле
где _w - удельный вес воды, кН/м3;
z - расстояние от экранируемой поверхности до уровня подземных вод, м;
z_i - глубина залегания рассматриваемого слоя, м;
_tot,i- суммарное напряжение в рассматриваемом i-м слое, кПа;
_i - удельный вес грунта i-го слоя, кН/м3.
Значение (w_eq - w_0) в формуле (6.8) при изменении водно-теплового режима определяют как разность между наибольшим (в период максимального увлажнения) и наименьшим (в период максимального подсыхания) значениями влажности грунта. Коэффициент пористости в этом случае принимают для влажности грунта, отвечающей периоду максимального подсыхания. Профиль влажности массива для случая максимального увлажнения и подсыхания определяют экспериментальным путем в полевых условиях.
6.2.12 Коэффициент k_sw, входящий в формулу (6.6), в зависимости от суммарного вертикального напряжения _z,tot на рассматриваемой глубине принимают равным 0,8 при _z,tot = 50 кПа и k_sw= 0,6 при _z,tot = 300 кПа, а при промежуточных значениях определяют интерполяцией.
6.2.13 Суммарное вертикальное напряжение _z,tot, кПа, на глубине z от подошвы фундамента (рисунок 6.2) определяют по формуле
где _zp, _zg - вертикальные напряжения соответственно от нагрузки фундамента и от собственного веса грунта, кПа;
_z,ad - дополнительное вертикальное давление, кПа, вызванное влиянием веса неувлажненной части массива грунта за пределами площади замачивания, определяемое по формуле
здесь k_g- коэффициент, принимаемый по таблице 6.2.
- удельный вес грунта, кН/м3;
(d + z) - см. рисунок 6.2.
| (d + z)/B_w | Коэффициент k_g при отношении длины к ширине замачиваемой площади L_w/B_w, равном | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| 0,5 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0,58 | 0,50 | 0,43 | 0,36 | 0,29 |
| 2 | 0,81 | 0,70 | 0,61 | 0,50 | 0,40 |
| 3 | 0,94 | 0,82 | 0,71 | 0,59 | 0,47 |
| 4 | 1,02 | 0,89 | 0,77 | 0,64 | 0,53 |
| 5 | 1,07 | 0,94 | 0,82 | 0,69 | 0,77 |
6.2.14 Нижнюю границу зоны набухания H_sw, см (рисунок 6.2):
а) при инфильтрации влаги принимают на глубине, где суммарное вертикальное напряжение _z,tot (6.2.13) равно давлению набухания p_sw;
б) при экранировании поверхности и изменении водно-теплового режима определяют опытным путем (при отсутствии опытных данных принимают равной 5 м).
Рисунок 6.2 - Схема к расчету подъема основания при набухании грунта
При наличии подземных вод нижнюю границу зоны набухания принимают на 3 м выше начального уровня подземных вод, но не ниже установленного в позиции а).
6.2.15 Осадку основания в результате высыхания набухшего грунта s_sh, см, определяют по формуле
где _sh,i - относительная линейная усадка грунта i-го слоя, определяемая в соответствии с 6.2.16;
h_i - толщина i-го слоя грунта, см;
k_sh - коэффициент, принимаемый равным 1,3;
п - число слоев, на которое разбита зона усадки грунта, принимаемая в соответствии с 6.2.17.
Допускается принимать _sh,i, определяемую без нагрузки, при этом k_sh = 1,2.
6.2.16. Относительную линейную усадку грунта при его высыхании _sh определяют по формуле
где h_n- высота образца грунта, см, после его максимального набухания при обжатии его суммарным вертикальным напряжением без возможности бокового расширения;
h_d - высота образца, см, в тех же условиях после уменьшения влажности в результате высыхания.
6.2.17 Нижнюю границу зоны усадки H_sh определяют экспериментальным путем, а при отсутствии опытных данных принимают равной 5 м.
При высыхании грунта в результате теплового воздействия технологических установок нижнюю границу зоны усадки H_sh определяют опытным путем или соответствующим расчетом.
6.2.18 При расчетных деформациях основания, сложенного набухающими грунтами, больше предельных или недостаточной несущей способности основания должны предусматриваться следующие мероприятия в соответствии с подразделом 5.8:
- предварительное замачивание основания в пределах всей или части толщи набухающих грунтов;
- применение компенсирующих песчаных подушек;
- полная или частичная замена слоя набухающего грунта ненабухающим;
- полная или частичная прорезка фундаментами слоя набухающего грунта.
6.2.19 Глубину предварительного замачивания, толщину частично заменяемого слоя набухающего грунта или частичной его прорезки назначают в зависимости от требуемого снижения деформаций от набухания.
6.2.20 При возведении фундаментов на предварительно замоченном основании из набухающих грунтов следует предусматривать устройство подушек из песка, щебня или гравия либо упрочнение верхнего слоя грунта связующими материалами.
6.2.21 Компенсирующие песчаные подушки устраивают на кровле или в пределах слоя набухающих грунтов при давлении, передаваемом на основание, не менее 0,1 МПа.
Для устройства подушек применяют пески любой крупности, за исключением пылеватых, уплотняемые до плотности в сухом состоянии не менее 1,6 т/м3.
Компенсирующие песчаные подушки устраивают только под ленточные фундаменты, когда их ширина не превышает 1,2 м. Размеры подушки назначают по таблице 6.3.
| Ширина фундамента b, м | Ширина подушки b, м | Высота подушки h, м |
| 0,5 < b 0,7 | 2,4b | 1,2b |
| 0,7 < b 1,0 | 2b | 1,15b |
| 1,0 < b 1,2 | 1,8b | 1,1b |
6.2.22 Уменьшение подъема фундамента на естественном основании из набухающих грунтов может обеспечиваться путем анкеровки фундамента с помощью свай, частично или полностью прорезывающих набухающий слой. При этом нагрузка, передаваемая сооружением, воспринимается совместно фундаментом и сваями, а предельные деформации (осадки, подъемы) этой конструкции не должны превышать предельных значений.
6.2.23 К числу конструктивных мероприятий относят увеличение жесткости и прочности сооружения путем разбивки его на отдельные отсеки осадочными швами. Отсек должен иметь правильную геометрическую форму в плане и одинаковую высоту. Увеличение жесткости и прочности достигается также введением железобетонных непрерывных поясов толщиной не менее 15 см, устраиваемых по высоте в нескольких уровнях. Пояса следует армировать каркасами, располагаемыми на уровне перекрытий или верха проема и полностью перекрывающими наружные стены. Пояса предусматривают при частичной прорезке набухающих грунтов; частичной замене набухающего грунта ненабухающим; устройстве компенсирующих подушек; предварительном замачивании набухающих грунтов.
6.2.24 Замену набухающего грунта производят местным ненабухающим грунтом, уплотняемым до заданной плотности. Проектирование оснований сооружений в этом случае должно выполняться как на обычных ненабухающих грунтах.
6.2.25 Допускается использовать набухающие грунты для обратной засыпки пазух и траншей при условии, что горизонтальное давление, вызванное их увлажнением, окажется допустимым для данного сооружения, а возможный подъем грунта засыпки не приведет к ухудшению условий эксплуатации. Уплотнение грунтов производят в соответствии с требованиями, принятыми для устройства грунтовых подушек и обратных засыпок из обычных грунтов.
Читайте также: