эл. учебник. И фундаменты

• Название: И фундаменты
• Дата: 21.10.2022
• Размер: 1.24 Mb.
• Имя файла: эл. учебник.doc
• Тип: Учебник; #746623
• страница: 3 из 26

Воздействие подземных вод и газа приводит к расструктури-ванию грунтов в результате влияния гидростатического давле­ния (рис. 9.7, а, б), гидродинамического давления (рис. 9.7, в), механической и химической суффозии (рис. 9.7, г), расширения и выделения растворенного газа.

Если гидростатическое давление в водопроницае­мом грунте, подстилающем сравнительно водонепроницаемый грунт (рис. 9.7, а), больше напряжения от веса оставшегося ниже дна котлована слоя водонепроницаемого грунта, то воз­можна деформация и даже разрушение этого слоя. Воздействие гидростатического давления особенно проявляется при слои­стой текстуре грунтов (ленточные глины и суглинки), когда

202



Рис. 9.7. Случаи расструктуривания грунтов под воздействием грунтовых вод

водопроницаемость вдоль слоистости в 50.. 100 раз больше, чем поперек (рис. 9.7, б). Для снятия гидростатического давления искусственно понижают уровень подземных вод в водоносном слое. При слоистой текстуре пылевато-глинистых грунтов ис­пользуют электроосмос или устраивают вертикальные дрены с выпуском воды в приямок котлована.

При поступлении воды в котлован через фильтрующий слой снизу вверх частицы грунта испытывают гидродинамиче­ское давление фильтрующегося потока воды (рис. 9.7, в), которое существенно уменьшает давление в скелете грунта, спо­собствуя его набуханию. Для устранения этого явления либо искусственно понижают уровень подземных вод (см. п. 13), либо забивают вокруг котлована шпунт с погружением его в подстилающий слой сравнительно водонепроницаемого грунта.

Если вода поступает в котлован по прослойкам, она может выносить из основания глинистые и пылеватые частицы грун­та. Это явление называется механической суффозией.

Так, во время разработки котлована глубиной 3,5 м в Ле­нинграде из основания в котлован выносились пылеватые ча­стицы грунта с образованием в нескольких местах его конусов выноса (рис. 9.7, г). Диаметр конусов достигал 20 м, высота составляла 0,7 м.

При растворении минералов скелета грунта основания про­исходит химическая суффозия, ухудшающая физико-ме­ханические свойства грунтов.

При уменьшении гидростатического давления, например вследствие водоотлива, наблюдается расширение замкнутых пузырьков газа в подземной воде, а также выделение из нее растворенного газа (воздуха). Выделение и расширение газа в слабо фильтрующих грунтах (илах, супесях, суглинках) со­провождается их расструктуриванием. Оно особенно ощутимо при уменьшении напряжений от собственного веса грунта. Для сохранения структуры газонасыщениых грунтов котлованы це­лесообразно разрабатывать, подводным способом (см. п. 13).

203

Динамические воздействия перемещающихся механизмов и удары по дну котлованов могут приводить к существенному расструктуриванию насыщенных водой пылевато-глинистых грунтов и пылеватых песков, залегающих ниже дна котлована. В целях сохранения естественной структуры указанных грун­тов их разрабатывают легкими механизмами, перемещающие мися вблизи бровки котлована. Кроме того, на дне котлована оставляют защитный слой грунта, который удаляют вручную или очень легкими землеройными машинами.

Грубые ошибки строителей иногда приводят к расструктури­ванию грунтов и большим неравномерностям осадок. К таким ошибкам наиболее часто относятся: перебор грунта и некаче­ственная его обратная укладка; отрывка глубоких котлованов около ранее возведенных фундаментов, имеющих существенно меньшую глубину заложения; заблаговременная отрывка кот­лованов; затопление котлована производственными водами.

Все нарушения естественной структуры грунтов основания приводят к развитию неравномерных осадок расструктурива-ния, величины которых заранее установить невозможно. Сле­довательно, во время производства строительных работ тре­буется сохранять структуру грунтов основания.

9.2.6. Неравномерные осадки в период эксплуатации сооружений S_экспл

Причины развития осадок во время эксплуатации со­оружений можно объединить в пять групп.

Уплотнение грунтов после начала эксплуатации сооружения. Оно обычно обусловлено: незаконченной фильтрационной консо­лидацией и деформациями ползучести грунтов; постепенным уве­личением полезной нагрузки до проектной; увеличением нагрузки сверх проектной.

Как показывают наблюдения за осадками зданий, деформа-ции грунтов в их основании обычно продолжают развиваться после полного завершения строительства, т. е. в период экс­плуатации. При наличии в основании пылевато-глинистых грун­тов продолжительность нарастания осадок фундаментов вследствие медленной фильтрационной консолида­ции и развития деформаций
204

ползучести скелета грунта, при уплотнении иногда составляет десятилетия.

На рис. 9.8 показан график развития во времени осадки восьмиэтажного здания, построенного в Ленинграде. После за­вершения строительства (1941 г.) здание дало дополнительную осадку около 15 см. Столь значительные осадки в период эксплуатации необходимо учитывать при проектировании фун­даментов, надземных конструкций и особенно трубопроводов, которые должны иметь определенные уклоны.

Увеличение полезной нагрузки до проектной особенно су­щественно сказывается на деформациях оснований складских сооружений, так как в этих случаях полезная нагрузка может превышать вес самого сооружения (металлические емкости, эле­ваторы и т. п.). По условиям работы пылевато-глинистых грун­тов в основании в некоторых случаях в первый год эксплуата­ции разрешается прикладывать не более 50 % полезной на­грузки. Это удлиняет сроки развития деформаций грунтов в основании.

Осадки уплотнения, развивающиеся в период эксплуатации, должны входить в величину Sупли отдельно в выражении (9.1) не учитываются.

Изменение положения уровня подземных вод. При существен­ном понижении уровня подземных вод может происходить уплотнение слабых пылевато-глинистых грунтов из-за снятия взвешивающего действия воды. Кроме того, если фундаменты возведены на деревянных сваях или деревянных лежнях, то при опускании уровня подземных вод ниже верха этих кон­струкций древесина быстро загнивает, через несколько лет пол­иостью теряет прочность и резко уменьшается в объеме.

При повышении уровня подземных вод основание дополни­тельно увлажняется, вследствие чего грунты, ранее ненасы­щенные водой, могут частично потерять свою прочность — сцеп­ление и уплотниться; лёссовые грунты могут получить значи­тельные деформации, связанные с просадкой, а некоторые глины, наоборот, увеличиться в объеме и вызвать поднятие фун­даментов. Повышение уровня подземных вод часто связано с про­никновением в грунт дождевых, хозяйственных и производ­ственных вод. Поднятие уровня подземных вод выше подошвы фундаментов может привести к разрушению бетона и коррозии арматуры в агрессивной среде.

Интенсивное поступление воды из напорных трубопроводов в грунт может вызвать аварийные осадки фундаментов. Раз­мыв грунта основания ведет к быстрому развитию дополни­тельных осадок. Возможно проникание грунта вместе с под­земной водой в неисправные канализационные коллекторы. При этом вода вместе с грунтом может поступать в них под значи­тельным напором. В результате в пределах воронки выноса

205

Рис. 9.9. Мульда оседания при подземной выработке

грунта фундаменты с подземными конструкциями получают перемеще­ния. В связи с этим, если основа­нием здания, строящегося вблизи напорных трубопроводов и глубоких коллекторов, служат пески или супеси, фундаменты желательно располагать за пределами возможной воронки размыва и выноса грунта в плане или при­нимать меры по уменьшению такой воронки.

Ослабление грунтов основания подземными и котлованными выработками. Туннельная проходка линий метрополитена, кана­лизационных коллекторов и других подземных выработок при- водит к оседанию в той или иной степени поверхности земли £ находящимися на ней сооружениями. Перемещения в преде- лах мульды оседания (рис. 9.9) определяются методами, при- меняемыми горными инженерами.

Осадки существующих сооружений могут происходить при разработке около них траншей и котлованов ниже подошвы фундаментов. В этом случае крепления траншей и стен котло- ванов должны исключить горизонтальные подвижки грунтов оснований существующих сооружений.

Динамические воздействия на грунты основания. Известно, что при определенном уровне динамических колебаний может происходить уплотнение песчаных и малосвязных пылевато-гли- нистых грунтов, наблюдается снижение прочности таких грун- тов вследствие разрушения связей между частицами и даже полное разжижение грунтов, что приводит к дополнительным осадкам фундаментов существующих сооружений.

Чаще всего источниками динамических воздействий могут быть работа машин в самом сооружении или вблизи него, дви­жение транспорта, выполнение строительных работ около су- шествующих фундаментов (забивка шпунта, свай, разрыхле- ние мерзлого грунта и т. п.), разработка горных выработок взрывами, сейсмическая активность. Характер влияния динами- ческих воздействий на грунты оценивается по результатам спе- циальных исследований.

Активность геодинамических процессов. Наиболее интенсив­ными геодинамическими процессами, приводящими к осадкам и смещениям фундаментов, являются карст, оползни, землетря- сения. Прогноз такого рода процессов выполняется методами инженерной геологии (см. п. 4).

Таким образом, причин развития неравномерных осадок фундаментов много. Они зависят как от проектных решений и способа устройства фундаментов, так и от условий эксплуата- ции сооружений. При появлении в несущих конструкциях де-

206

формаций во время эксплуатации приходится проводить обсле­дование фундаментов и грунтов основания. Только по резуль­татам обследований и по данным наблюдений за осадками во времени можно установить причины их развития, выработать меры по исключению дальнейшего нарастания осадок.

9.3. Учет совместной работы грунтов основания, фундаментов и сооружений

9.3.1. Основная постановка расчета

При развитии неравномерных осадок основания в гиб­ких сооружениях не возникают дополнительные усилия. Соору­жения и фундаменты, обладающие некоторой жесткостью, не могут в каждой точке следовать за осадкой основания. Это приводит к уменьшению давления в точках, где податливость грунтов больше, и наоборот, в результате чего перераспреде­ляется давление по подошве фундаментов, причем в ленточных фундаментах и фундаментных плитах возникают дополнитель­ные усилия, связанные с изгибом этих конструкций, а также надфундаментных конструкций. Включение в работу фундамен­тов и конструкций сооружения на изгиб из-за неравномерно-стей осадок основания приводит к уменьшению этих неравно-мерностей. Рассматриваемый процесс тем интенсивней, чем большей жесткостью обладают включающиеся в работу кон­струкции.

Учитывая изложенное, основания надо рассчитывать с уче­том совместной работы фундаментов и надфундаментных кон­струкций на изгиб. Расчет оснований совместно с работой фун­даментов производится как расчет балок или плит на упругом основании. Расчет же оснований совместно с работой надзем-ных конструкций производится редко по двум причинам: из-за трудности правильного учета пространственной жесткости над­земных конструкций и требуемой точности оценки деформируе­мости грунтов во всех точках основания, так как буровые сква­жины обычно располагаются через 20...50 м. Поэтому даже ис­пользование метода конечных элементов для такого расчета не может гарантировать требуемую точность. К, этому надо до­бавить, что применение такого метода расчета допустимо при отсутствии или крайней незначительности осадок расструктури-вания и осадок в эксплуатационный период. Остальные сла­гаемые осадок (уплотнения, разуплотнения и выпирания) мето­дом конечных элементов учесть возможно.

Таким образом, вследствие сложности расчетов совместной работы основания, фундаментов и надземных конструкций

207

обычно неравномерности осадки определяют для основания без учета жесткости сооружения.

9.3.2. Выравнивание ожидаемых неравномерностей осадок

При относительно горизонтальном залегании слоев и большой толщине сильносжимаемых грунтов, как правило, наи­большую осадку получает центральная часть здания, наи­меньшую— торцы и особенно углы. В таком случае для вырав­нивания неравномерности осадки целесообразно у торцов, а при большой ширине здания в угловых частях, расположить большую нагрузку (например, сделать башенки). Наличие большой нагрузки по торцам приводит к большей их осадке, так можно добиться уменьшения прогиба и, следовательно, вырав­нивания неравномерностей осадок.

Другим способом выравнивания давления, особенно при ши­роких зданиях с несколькими подземными этажами, может быть устройство под центральной частью здания большего коли­чества подземных этажей.

В некоторых случаях увеличения осадки торцевых частей зданий можно добиться уменьшением ширины фундаментов под этими частями, а также постановкой торцевых стен на консоли. Разгружающие консоли можно располагать и в надземной ча­сти здания.

Достигнуть увеличения осадки торцевых частей зданий мож­но путем забивки, по предложению С. Н. Сотникова, по торцам здания шпунта со снятием трения смазкой со стороны основа­ния возводимого здания. В результате такого мероприятия на­пряжения в массиве грунта не распространяются за пределы торца здания, вследствие чего их рассеивание уменьшается. Это приводит к большим деформациям грунтов под торцами, чем ери отсутствии шпунта.

9.3.3. Пути уменьшения чувствительности несущих конструкций к неравномерным осадкам

Как сказано выше, в большинстве случаев развитие не­равномерных осадок неизбежно. Они, в частности, зависят от осадок расструктуривания. Меры же по сохранению природной структуры грунтов в основании иногда приводят к очень доро­гим решениям. В ряде случаев целесообразнее уменьшать чув­ствительность конструкций к развитию неравномерных осадок. Ранее было отмечено, что абсолютно гибкие сооружения не чувствительны даже к значительным неравномерностям осадок, так как их искривление не приводит к развитию в них допол-

208

нительных усилий. В связи с этим иногда стремятся сделать со­оружения максимально гибкими, применяя разрезные конструк­ции перекрытий, покрытий, эстакад и т. п. В таких конструк­циях не возникает дополнительных усилий при неравномерных осадках отдельных опор. Однако неравномерные осадки не должны приводить к нарушению водостоков и трубопроводов.

В одноэтажных зданиях слабым местом являются стены, ко­торые обладают некоторой жесткостью. При неравномерной осадке по длине фундамента стены искривляются, что может вызвать появление в них трещин. Для исключения этого целе­сообразно, например, делать кладку кирпичных стен на мед­ленно твердеющем известковом растворе, который способен развивать деформации ползучести.

Уменьшения чувствительности к неравномерным осадкам кладки стен зданий достигают устройством вертикальных оса­дочных швов, которыми стена разрезается на части, способные противостоять местным неравномерностям осадок. Однако увле­каться устройством осадочных швов не следует, так как, во-первых, осадочный шов — предусмотренная проектом трещина в стене — при некачественном исполнении может продуваться, во-вторых, в зоне швов усложняется прокладка трубопроводов, поскольку их нельзя жестко крепить с обеих сторон осадоч­ного шва, в-третьих, разрезка стен здания осадочными швами приводит к необходимости разрезки перекрытий и других конструкций, что снижает пространственную жесткость зда­ния.

Неравномерные осадки иногда приводят к развитию крена. При продольном крене отдельных частей сооружения осадоч­ные швы могут закрываться либо раскрываться. В первом слу­чае происходит навал одной части стены на другую. Возникаю­щая при этом горизонтальная реакция способна привести к разрушению кладки, поскольку осадочный шов не сможет в полной мере обеспечить самостоятельность осадок отдельных участков стены.

Для обеспечения самостоятельно­сти осадок отдельных частей здания необходимо делать осадочные швы с надлежащими зазорами (рис. 9.10). Размер зазора следует назначать с учетом ожидаемых неравномерностей осадок здания как в продольном, так и в поперечном направлении. Упругая

Рис. 9.10. Осадочный шов

1 — упругий непродуваемый материал; 2 — примы­кающие участки стены; а — размер зазора (по расчету)

209

прокладка должна обеспечивать непродуваемость шва даже при увеличении ширины раскрытия его в 2 раза.

Таким образом, первым на­правлением уменьшения чувстви­тельности сооружений к возмож­ным неравномерностям осадок является увеличение гибкости надземных несущих конструкций. Вторым направлением — уве­личение прочности конструкций, обладающих жесткостью, что­бы они могли перераспределить давление по подошве фунда­ментов и тем самым уменьшить ожидаемые неравномерности осадки.

Абсолютно жесткие сооружения с повышенной прочностью конструкций способны выравнивать осадки благодаря умень­шению давления по подошве фундаментов в местах, где ос­нование испытывает большие деформации, и передаче этого давления на участки, где де­формации меньше. Под края­ми и особенно под углами жестких фундаментов происхо­дит концентрация давления (см. рис. 6.10, б). Аналогичная картина наблюдается и под жестким сооружением.

Рассматривая распределение давления от жесткого со­оружения и распределение реактивных сил основания (рис. 9.11), можно отметить их неуравновешенность в от­дельных точках подошвы фун­дамента. Рассчитывая соору-

210

жение как балку или плиту на упругом основании, можно найти дополнительные усилия, возникающие в несущих конструкциях сооружения.

Аналогичная картина наблюдается и у сооружений с конеч- ной жесткостью. Однако чем меньше жесткость сооружений, тем в меньшей степени они способны уменьшить неравномерно- сти осадки и тем меньшие дополнительные усилия будут возни­кать в их конструкциях. Поскольку кладка стен, как правило, хорошо сопротивляется сжатию и плохо растяжению, при из­гибе в ней образуются трещины. Для исключения таких дефор­маций в свое время Б. Д. Васильев предложил устраивать в стенах зданий железобетонные пояса. Позднее в утолщенный шов стали укладывать арматуру. Этот прием позволяет суще­ственно уменьшить чувствительность стен и зданий в целом к неравномерным осадкам. В Ленинграде успешно эксплуати­руется много зданий высотой 5...12 этажей с армированными кирпичными стенами, хотя осадка этих зданий достигала 60 см и более.

Армирование фундаментов кладки стен показано на рис. 9.12. Если местоположение по длине здания участков осно­вания с большей податливостью неизвестно, пояса армирова- ния размещают в фундаменте, по обрезу фундамента (2) и на урове перекрытий в каждом этаже (1) или через этаж. Верх­ний пояс зажимают кладкой верхнего этажа, иначе он не рабо­тает. В каждом поясе обычно укладывают арматуру с пло­щадью сечения 5... 10 см². Пояса делают непрерывными вдоль всех наружных и внутренних стен.

9.4. Комплексная взаимозависимость факторов, подлежащих учету при проектировании фундаментов

В соответствии со сказанным выше конструкции coopy- жений зависят также от ожидаемых неравномерностей осадок, способа производства работ по устройству фундаментов, и на­оборот, в зависимости от чувствительности конструкций соору­жения приходится проектировать фундаменты и способы их устройства. К сожалению, часто в проектах ограничиваются указанием необходимости сохранения природной структуры грунтов в основании, даже в тех случаях, когда это выполнить невозможно вследствие значительной разгрузки основания при отрывке относительно глубоких котлованов и неизбежном воз­действии метеорологических факторов и подземных вод.

Поэтому при проектировании фундаментов иногда должен решаться вопрос о способах их устройства, которые гаранти­руют требуемую сохранность структуры грунтов основания.

211

Однако при возведении малочувствительных к неравномерным осадкам сооружений нет необходимости прибегать к проведем нию дорогостоящих мероприятий, поскольку даже сильное на­рушение природной структуры грунтов в основании не отра­зится на их благополучном существовании.

Таким образом, при проектировании надо считаться не толь­ко с указанными выше инженерно-геологическими условиями и характером возводимого сооружения (его чувствительностью к неравномерным осадкам), но и со способами производства работ, направленными на сохранение природной структуры грунтов в основании.

Коротко это можно сформулировать так: при проектирова­нии и устройстве фундаментов необходимо комплексно рассмат­ривать три фактора: что строится (насколько чувствительны конструкции к неравномерным осадкам), на чем возводится со­оружение (каковы инженерно-геологические условия строитель­ной площадки) и как строится (какие меры принимаются для сохранения природной структуры грунтов основания). В неко- торых случаях приходится дополнительно учитывать возмож­ность развития осадок во время эксплуатации сооружения (на­пример, при возведении зданий на подрабатываемых террито­риях и т. п.).

Если при проектировании и строительстве фундаментов не учитываются одновременно три указанных фактора (или комп­лексность задачи), возможно развитие чрезмерных неравномер-мостей осадок, иногда даже неосуществимо производство раз­работанного проекта.

Проектирование и строительство фундаментов без комплекс­ного решения задачи недопустимо. Однако учет трех исходных факторов при изложении отдельных разделов курса очень усложнил бы усвоение материала. По этой причине в после­дующих главах вопросы проектирования и вопросы устройства фундаментов рассматриваются в большинстве случаев раздель­но (без учета комплексности задачи). Лишь иногда обращается внимание на взаимозависимость некоторых факторов. Только в п. 17 после рассмотрения различных методов проектирования и устройства фундаментов выбор наиболее рациональных ре­шений изложен с учетом комплексного подхода к проектирова­нию фундаментов.

9.5. Выбор типа и глубины

заложения подошвы фундаментов