Расчет фундаментов на просадочных грунтах пример

Обновлено: 16.05.2024

Просадочностью при замачивании под нагрузкой обладают высокопористые, слабоувлажненные, преимущественно глинистые грунты. Природные просадочные грунты (лессовые и лессовидные) имеют широкое распространение и приурочены обычно к верхним толщам водораздельных пространств. Вблизи водотоков просадочные грунты могут встретиться на склонах высоких террас. В руслах и на пойменных участках рек грунты просадочными свойствами не обладают.

Грунтовые условия строительных площадок по просадочности подразделяют на два типа: I тип — когда просадка от собственного веса грунтов просадочной толщи не проявляется или не превышает 5 см; II тип — когда просадка от собственного веса грунта превышает 5 см.

В природном состоянии просадочные грунты обладают сравнительно высокой несущей способностью (не хуже аналогичных непросадочных грунтов). При дополнительном увлажнении их несущая способность значительно снижается и в них развиваются быстротекущие дополнительные деформации, связанные с изменением структуры этих грунтов (просадка).

Замачивание грунтов основания в плане и профиле может быть местным (из локального источника), приводящим к просадке на ограниченной площади, или интенсивным с промачиванием всей просадочной толщи на больших площадях сверху (при затоплении территории) или снизу (при подъеме уровня грунтовых вод), вызывающим полное проявление просадки основания.

В условиях, исключающих замачивание просадочных грунтов основания, проектирование фундаментов выполняют как на обычных непросадочных грунтах с ориентацией на их природную влажность w, если она выше влажности на пределе раскатывания wp, и на wp, если w < wp.

Расчетным состоянием просадочных грунтов по влажности при возможности их замачивания считают состояние их полного водонасыщения (Sr  0,8), исходя из которого назначают предварительные размеры фундаментов. В этом случае определяют возможную просадку основания при его замачивании. Если сумма этой просадки и осадки уплотнения основания до замачивания, а также степень неравномерности этих суммарных деформаций не превышает их предельных значений для данного сооружения, то никаких дополнительных мероприятий не требуется. В противном случае нормальную эксплуатацию сооружения можно обеспечить устранением просадочных свойств грунтов в пределах всей или части просадочной толщи путем поверхностного или глубинного уплотнения, укреплением грунтов силикатизацией или термическим способом и т. д. (см. гл. 6). При большой мощности просадочной толщи осуществляют ее прорезку фундаментами глубокого заложения с опиранием на непросадочные грунты.

Величину просадки основания под фундаментом определяют по формуле

(10.9)
где sl,i— относительная просадочность грунта i-го слоя, определяемая опытным путем, при давлении pi, равном сумме давлений от фундамента и собственного веса грунта в середине слоя толщиной hi; ksl,i— коэффициент, который для фундаментов шириной более 12 м принимают равным 1, а при b  3 вычисляют по формуле (10.10)
где p — среднее давление фундамента на грунт в плоскости его подошвы; psl,i— начальное просадочное давление i-го слоя грунта; p0 = 100 кПа.

Суммирование по формуле (10.9) выполняют до уровня залегания непросадочных грунтов с sl < 0,01.

Для вычисления просадки основания строят эпюры суммарных напряжений в нем от собственного веса грунта zgи от давления фундамента pz, а также график изменения начального просадочного давления psl,zпо глубине просадочной толщи (рис. 10.6).

Рис. 10.6. Схема к расчету просадок основания:
1 — эпюра zg; 2 — эпюра (zg + pz); 3 — график изменения psl; 4 — нижняя граница просадочной толщи

При интенсивном замачивании основания просадка может совершаться либо в пределах всей просадочной толщи, либо ее части, что зависит от соотношения суммарных напряжений (zg + pz) и начального просадочного давления psl,zпо глубине этой толщи (на рис. 10.6 просадка основания в средней зоне отсутствует).

При местном замачивании основания из источника, расположенного в стороне от фундамента, просадку учитывают лишь в нижней части просадочной толщи с учетом растекания воды из источника под углом 35–45° к вертикали.

При проектировании фундаментов мостов просадочную толщу грунтов основанияобычно прорезают, например, сваями. При этом в случае возможного замачивания просадочных грунтов несущую способность свай или столбов определяют с учетом негативного трения просадочных и вышележащих грунтов по боковой поверхности несущего элемента по аналогии с формулой (10.5). В грунтовых условиях II типа по просадочности несущую способность свай на сжимающую нагрузку определяют по результатам их испытания статическими нагрузками, как разность между Fdсвай полной длины и их несущей способностью на выдергивание Fduпри длине, равной мощности просадочной толщи. Динамический метод испытания свай и метод зондирования грунтов при оценке Fdв просадочных грунтах не допускаются.

где s — совместная деформация основания и здания или сооружения, определяемая как для обычных непросадочных грунтов в соответствии с их деформативными характеристиками, полученными при естественной влажности; s_sl — деформация основания, вызванная просадкой грунта; s´_u — предельно допустимая совместная деформация основания и здания или сооружения, принимаемая равной:

(10.16)

здесь s_u — предельно допустимая деформация основания при неравномерной осадке фундаментов, определяемая как для обычных непросадочных грунтов; γ_s — коэффициент условий работы, учитывающий вероятность одновременного сочетания наиболее неблагоприятных условий по просадке и осадке и принимаемый: при s_sl < 2 s , γ_s = 1, а при s_sl > 2 s , γ_s = 1,25.

Выполнение условия (10.15) и тем самым обеспечение прочности, устойчивости и нормальной эксплуатации зданий и сооружений осуществляется применением одного из следующих трех принципов:

– устранения просадочных свойств грунтов путем их уплотнения (тяжелыми трамбовками, вытрамбовыванием котлованов, устройством грунтовой подушки, предварительным замачиванием, взрывами, пробивкой скважин) или закрепления (силикатизацией, обжигом);
– прорезки просадочных грунтов свайными фундаментами (из забивных, буронабивных свай, набивных свай в пробитых скважинах, свай в эластичных оболочках, уплотненном грунте и др.) или столбами из закрепленного грунта;
– комплекса мероприятий, включающего подготовку оснований, водозащитные и конструктивные мероприятия по расчету конструкций зданий и сооружений на прочность.

Первые два принципа направлены на полное устранение или снижение просадочных деформаций до предельно допустимых величин, а третий — на приспособление зданий и сооружений к возможным неравномерным просадкам грунтов в основаниях.

Выбор одного из принципов производится с учетом особенностей и типа грунтовых условий, вероятности замачивания грунтов основания, возможной величины просадки, жесткости и прочности проектируемых зданий и сооружений, их взаимосвязи с соседними объектами и коммуникациями и т.п.

В случаях когда замачивание грунтов оснований исключается и возможно только медленное повышение их влажности, основания и фундаменты проектируются как на обычных непросадочных грунтах.

Расчетные сопротивления просадочных грунтов естественного сложения определяются в зависимости: от возможности и вида источника замачивания; от принятого метода обеспечения прочности и эксплуатационной пригодности зданий и сооружений; от конструкции, ширины и глубины заложения фундаментов; от прочностных характеристик грунтов основания. При отсутствии возможности замачивания просадочных грунтов расчетные сопротивления R определяются по формуле (5.29). В этом случае прочностные характеристики грунтов должны приниматься:

– при ω ≥ ω_p — по результатам испытания грунтов в состоянии природной влажности ω ;
– при ω < ω_p — по результатам испытания грунтов при влажности на границе раскатывания ω_р .

Расчетное сопротивление грунта основания R при возможном замачивании просадочных грунтов сверху или при подъеме уровня грунтовых вод определяется с учетом следующих требований:

– при устранении возможности возникновения просадки оснований от нагрузки фундаментов путем снижения давления на грунт значение R не должно превышать величины начального просадочного давления p_si ;
– при обеспечении прочности зданий и сооружений применением комплекса водозащитных и конструктивных мероприятий, назначаемых по расчету на возможные суммарные величины осадок и просадок основания, значение R определяется по формуле (5.29) с использованием расчетных значений характеристик φ_II и c_II , полученных для просадочных грунтов в водонасыщенном состоянии после их просадки;
– при уплотнении и закреплении просадочных грунтов различными методами значение R определяется по формуле с использованием расчетных значений характеристик φ_II и c_II , полученных для уплотненных и закрепленных до заданной плотности и прочности грунтов в водонасыщенном состоянии.

Предварительные размеры фундаментов зданий и сооружений, возводимых на просадочных грунтах, назначаются исходя из условных значений расчетных сопротивлений грунта R₀ (табл. 10.3).

ТАБЛИЦА 10.3. УСЛОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ

Грунт	R₀ , кПа, грунтов
	природного сложения с γ_d , кН/м 3		уплотненных с γ_dcom , кН/м 3
	13,5	15,5	16	17
Супесь	300 150	350 180	200	250
Суглинок	350 180	400 200	250	300
Глина	400 200	450 220	300	350

Примечания: 1. Над чертой даны значения, относящиеся к просадочным грунтам природного сложения со степенью влажности S_r ≤ 0,5 и при невозможности их замачивания; в знаменателе под чертой — значения, относящиеся к таким же грунтам со степенью влажности S_r ≥ 0,8, а также к грунтам с меньшей степенью влажности и при возможности их замачивания.

2. Для просадочных грунтов с промежуточными значениями γ_d значения R₀ определяются интерполяцией.

где ε_sl — относительная просадочность грунта, определяемая для каждого слоя грунта в пределах деформируемой зоны h_sl.p при давлении, равном сумме природного давления и давления от фундамента зданий или сооружений в середине рассматриваемого слоя; h_i — толщина i -го слоя грунта, см; n — число слоев, на которые разбита деформируемая зона h_sl.p ; γ_ci — коэффициент условий работы основания, принимаемый для фундаментов шириной от 12 м и более равным 1, а для ленточных фундаментов шириной до 3 м и прямоугольных шириной до 5 м включительно по формуле

(10.5)

(здесь p — среднее давление по подошве фундамента, МПа; p_sl — начальное просадочное давление, МПа; р₀ — давление, равное 0,1 МПа); для ленточных фундаментов шириной более 3 м и прямоугольных шириной более 5 м коэффициенты γ_ci определяются по интерполяции между значениями, вычисленными по формуле (10.5), и γ_ci = 1; при неполном устранении просадочных свойств грунтов уплотнением или закреплением на глубину не менее 1,5 м или 0,2 h_sl.p коэффициенты γ_ci принимаются равными 1.

При расчете просадок фундаментов в случаях неполного водонасыщения грунта в формулу (10.4) подставляются значения относительной просадочности ε´_sl , определяемые по формулам:

;

(10.6)

(10.7)

где ω_eq — конечная влажность грунта после замачивания; ω_sl — начальная просадочная влажность; ω_sat — влажность, соответствующая полному водонасыщению грунта.

Максимальная величина просадки от собственного веса грунта, проявляющаяся при его замачивании сверху на площади шириной не менее глубины просадочной толщи или при подъеме уровня грунтовых вод, определяется по формуле (10.4). При этом суммирование производится:

– при отсутствии внешней нагрузки, а также при наличии узких фундаментов, когда деформируемая зона от нагрузки фундамента не сливается с зоной просадки грунта от собственного веса — только в пределах зоны просадки грунта от собственного веса;
– при подъеме грунтовых вод или при медленном повышении влажности — только в пределах той части зоны просадки грунта от собственного веса, в которой произошло соответствующее повышение влажности;
– при широких фундаментах и частичном наложении деформируемой зоны от их нагрузки на деформируемую зону просадки от собственного веса грунта — в пределах с глубины, на которой суммарные давления от нагрузки фундамента и от собственного веса грунта имеют минимальное значение, до кровли непросадочного грунта.

Коэффициент условий работы γ_сi в этом случае следует принимать по результатам опытных работ для каждого региона как отношение фактически замеренной просадки к расчетной, а при отсутствии опытных данных γ_сi = 1.

Возможная величина просадки грунта s_sl от собственного веса, проявляющаяся при замачивании площади шириной В_ω менее величины просадочной толщи H_cl , определяется по формуле

(10.8)

Разность просадок и крены отдельных фундаментов от их нагрузки (рис. 10.3) вычисляются с учетом изменения просадки грунта по выражению

(10.9)

где х — расстояние от края источника замачивания до рассматриваемой точки; l_sl — длина участка, на котором проявляется неравномерная просадка грунта:

(10.10)

здесь d , — глубина заложения фундамента от планировочной отметки; h_sl.p —толщина зоны просадки грунта от внешней нагрузки; h_ω — глубина расположения источника замачивания от поверхности планировки; γ_cβ — коэффициент, учитывающий возможное увеличение угла распространения воды вследствие слоистости грунтов основания и принимаемый для однородных, грунтов γ_cβ = 1, при залегании сверху слоя грунта с меньшим коэффициентом фильтрации γ_cβ = 0,7, с большим γ_cβ = 1,4 слоистых толщ γ_cβ = 2; β — угол распространения воды от источника замачивания, принимаемый: для лёссовидных супесей и лёссов β = 35°, а для лёссовидных суглинков β = 50°.

1 и 2 — фундаменты Ф-1 и Ф-2; 3 — источник замачивания; 4 — граница увлажненной зоны грунта; 5 — нижняя граница деформируемой зоны

Крен фундамента определяется как отношение разности просадок краев фундамента к его ширине. Разность просадок грунта Δs_l.g от его собственного веса в различных точках замачиваемой и примыкающей к ней площади определяется с учетом изменения просадок грунта по формуле

(10.11)

где х — расстояние от центра замачиваемой площади или начало горизонтального участка просадки грунта до точки, в которой определяется просадка s_sl.x (см. рис. 10.2) (0 < x < r ); r — расчетная длина криволинейного участка просадки грунта от его собственного веса;

(10.12)

Горизонтальные перемещения u_sl на поверхности грунта при просадке его от собственного веса, вызванной замачиванием грунта сверху, определяются по выражению

(10.13)

где ε — относительные горизонтальные перемещения:

(10.14)

где х — координата точки, в которой определяется горизонтальное перемещение u_sl , изменяющееся при расположении начала координат в точке 0 (рис. 10.2) от нуля до r /2.

Пример 10.1. Определить просадки, разности просадок и крены двух отдельно стоящих фундаментов (см. рис. 10.3), возводимых на грунтовой подушке толщиной h_s = 2 м. Исходные данные: b = 3 м, р = 0,3 МПа, d = 1,5 м, h_sl.p = 5,5 м, h_ω = 2 м, h_sat = 5 м, Δh₁ = 3,6 м, Δh´₁ = 3 м, Δh´´₁ = 4 м, Δh₂ = 1,5 м, Δh´₂ = 0,9 м, Δh´´₂ = 2,1 м, b_ω = 2,4 м, x₁ = 2,8 м, x₂ = 6,8 м. Физико-механические характеристики грунтов приведены в табл. 10.1.

Решение. Разбиваем просадочную толщу грунтов на элементарные слои толщиной 1 м и определяем вертикальные давления в основании фундаментов (табл. 10.2).

По данным первых шести граф табл. 10.2 и материалам инженерно-геологических изысканий (табл. 10.1) определяем ε_sli , по формуле (10.7) находим ε´_sl2 , и их значения также сводим в табл. 10.2.

По формуле (10.4) определяем просадки фундаментов с учетом грунтовой, подушки и замачивания грунтов в нижней части деформируемой зоны, т.е. в пределах Δh₁ = 3,6 м и Δh₂ = 1,5 м:

= 0,017 · 60 + 0,14 · 100 + 0,012 · 100 + 0,01 · 90 = 4,6 см;

s_sl2 = 0,012 · 60 + 0,01 · 90 = 1,6 см.

Находим разность просадок фундаментов Ф-1 и Ф-2:

Δs_sl = s_sl1 – s_sl2 = 4,6 – 1,6 = 3 см.

Вычисляем крен фундамента Ф-1 исходя из того, что толщина замоченного слоя грунта под одной его гранью равняется Δh´₁ = 3 м, а под другой Δh´´₁ = 4,2 м, а просадочного слоя 3,8 м:

s_sl1 = 0,017 · 10 + 0,014 · 100 + 0,012 · 100 + 0,01 · 90 = 3,7 см;

s_sl2 = 0,01 · 90 + 0,014 · 100 + 0,012 · 100 + 0,01 · 90 = 5 см;

i = (s_sl1 – s_sl2)/b = (5 – 3,7)/300 = 0,0043.

При полном устранении просадочных свойств грунтов уплотнением или закреплением различными методами необходимо обеспечить чтобы суммарное давление на кровлю подстилающего неуплотненного или незакрепленного слоя не превышало начального просадочного давления p_sl этого слоя, т.е. p_sl ≤ σ_zg + σ_zp .

В этом случае расчетное сопротивление R_c на уплотненный или закрепленный грунт по условию устранения просадки подстилающего слоя определяется по формуле

(10.17)

где σ_zp — дополнительное напряжение на кровле подстилающего неуплотненного или незакрепленного слоя просадочного грунта от нагрузки фундамента; p_zg — природное давление на кровле этого слоя; p_g — природное давление на отметке заложения фундамента; α — коэффициент уменьшения дополнительного давления от фундамента на кровле неуплотненного или незакрепленного слоя.

Расчет конструкций фундаментов и зданий на просадку грунтов от собственного веса s_sl.g производится для наиболее неблагоприятного случая расположения источника замачивания под центром здания. Расчетная модель основания принимается в виде искривленного винклеровского основания с условным радиусом кривизны R_c и коэффициентом средней жесткости k_m (рис. 10.4):

;

(10.18)

(10.19)

где k_sl — безразмерный коэффициент, принимаемый численно равным s_sl.g в м; k — коэффициент жесткости основания:

(10.20)

(здесь q — средняя расчетная равномерно распределенная нагрузка на основание; — средняя осадка фундамента); k_k — коэффициент снижения жесткости основания, вычисляемый в зависимости от полудлины здания L по формуле:

при r ≥ L

(10.21)

(10.22)

(10.23)

здесь h_sl.g — величина зоны просадки грунта от собственного веса (рис. 10.1); Н_c — величина сжимаемой зоны основания под фундаментом.

Максимальные величины изгибающих моментов М и перерезывающих сил в фундаментах и зданиях при просадках грунтов от собственного веса определяется по выражениям:

;

(10.24)

(10.25)

(10.26)

;

(10.27)

ξ = 0 — при отношении высоты фундамента или здания к их длине (2 L ), большем 0,75 ξ ; EI и GF — изгибная и сдвиговая жесткости фундамента или здания, приведенные к балке конечной жесткости.

Расчет дополнительных нагрузок на сваи F_n от сил нагружающего трения, возникающих при просадках окружающих сваи грунтов, производится при полном водонасыщении грунта по формуле (рис. 10.5):

(10.28)

где А — площадь взаимодействующего со сваей окружающего грунта природной структуры; γ_{sat i} — удельный вес грунта в водонасыщенном состоянии; h_i — толщина i -го слоя, на которое разбита толща просадочного грунта H_sl , в пределах которой проявляются силы нагружающего трения; р_{sl i} — начальное просадочное давление i -го слоя грунта.

Рис. 10.5. К определению дополнительной нагрузки на сваю по дефициту несущей способности просадочного грунта (заштрихованная область)

Площадь взаимодействующего со сваей грунта А определяется в зависимости от расположения свай и принимается:

для одиночной сваи

(10.29)

для средней сваи в кусте

(10.30)

для крайней сваи в кусте

(10.31)

для угловой сваи в кусте

(10.32)

для средней сваи в ленточном фундаменте

(10.33)

где l — расстояние между сваями; А_com — площадь уплотненного вокруг сваи грунта: А_com = 0,25π(2,5d) 2 ; здесь d — приведенный диаметр сваи.

Глубина толщи просадочного грунта, в пределах которой проявляются силы нагружающего трения,

(10.34)

где s´_sl.g — предельно допустимая просадка грунта от собственного веса при воздействии на сваю, принимаемая равной 3 см; ε_sl — относительная просадочность нижних слоев просадочной толщи.

Вычисленные дополнительные нагрузки на сваю от сил нагружающего трения по формуле (10.28) не должны превышать значений дополнительной нагрузки F´_n , определяемой по формуле

(10.35)

где γ_c и γ_cf — коэффициенты условий работы, применяемые по СНиП II-17-77; u — периметр ствола сваи; f_ni — расчетная сила нагружающего трения по боковой поверхности сваи, принимаемая численно равной f_i по СНиП II-17-77, при полном водонасыщении грунта.

Решение. Определяем предварительные размеры фундамента по условному расчетному сопротивлению R₀ = 0,3 МПа (см. табл. 10.3):

м 2 ;

принимаем b = 2 м, l = 2,4 м, А = 4,8 м 2 .

Вычисляем по формуле (5.29) расчетное сопротивление на уплотненный грунт: R = 0,4 МПа.

Находим по формуле (10.17) расчетное сопротивление на уплотненный грунт по условию устранения просадки подстилающего неуплотнеиного лессовидного суглинка естественного сложения при α = 0,207:

R_c = (0,16 – 0,095 + 0,07)/0,207 = 0,35 МПа.

Сопоставляя значения R = 0,4 МПа и R_c = 0,35 МПа, для расчета размеров подошвы фундамента принимаем минимальное значение: R = 0,35 МПа.

Определяем среднее и краевые давления по подошве фундамента при площади подошвы фундамента A = b · l = 2 · 2,4 = 4,8 м 2 , собственном весе фундамента G = A d γ_F = 4,8 · 2 · 22 = 212 кН, моменте от горизонтальной силы M_h = F_hd =40 · 2 = 80 кН·м и моменте инерции подошвы фундамента: W = bl 2 /6 = 2 · 2,4 2 /6 = 1,92 м 3 :

σ = (F_v + G)/A ± (M + M_h)/W = (1250 + 212)/4,8 ± (120 + 80)/1,92 = 30,4 ± 110 кН/м 2 = 0,301 МПа;

2-й этап: определение мероприятий, исключающих влияние просадок на прочность и устойчивость сооружений.

Определяется полная осадка, исходя из условия:

- осадка фундамента, определяемая как для обычного непросадочного грунта;

- коэффициент, принимаемый в зависимости от размеров на фундамент и нагрузки на фундамент;

- толщина слоя в пределах просадочной зоны (до 2 м);

- относительная просадочность, определенная для i- го слоя в пределах просадочной толщи;

n – число слоев просадочной толщи до глубины, на которой при давлении коэффициент относительной просадочности будет равен 0,01.

Размеры определяются, исходя из условия:

- расчетное сопротивление грунта в условиях полного водонасыщения.

Если условие по деформации выполняется, то просадочные свойства грунта не учитывают и фундаменты проектируют как на обычных непросадочных грунтах. Суммирование просадки производят в пределах просадочной зоны. Зона просадки определяется при полном замачивании грунта. Может быть верхняя зона просадки от нагрузки на фундамент и может быть нижняя зона от собственного веса грунта. Эти зоны могут сливаться или могут быть разделены нейтральной зоной.

Если условие не выполняется, от переходят ко второму этапу. После определения типа грунтовых условий по просадочности определяются мероприятия по устранению просадочных свойств грунтов. При первом типе грунтовых условий и мощности просадочных грунтов до 5 м применяется:

1) уплотнение тяжелыми трамбовками, r скелета грунта больше 1,6 т/м 3 просадочные свойства грунтов устраняются;

2) если нельзя уплотнить тяжелыми трамбовками, то применяют уплотнение грунтовыми подушками из местного грунта;

3) снижение давления по подошве фундамента малоэтажных зданий до величины, при которой в основании на всех глубинах просадочной толщи направление меньше начального просадочного давления;

4) метод трамбовочных котлованов – трамбовка имеет форму будущего котлована;

5) уплотнение грунта предварительным замачиванием с применением подводных взрывов;

6) применение свайных фундаментов - производится забивка железобетонных свай с прорезкой всей просадочной толщи и опирании на непросадочный грунт (в этот грунт они должны заходить на 2 м).

Читайте также: