Лекция 13. Лекция 13 по Основан. и фунд.. Лекции Фундаменты на просадочных грунтах Фундаменты на пучинистых и набухающих грунтах
 Скачать 100.5 Kb.
|
|
Тема 13. Основания и фундаменты в сложных грунтовых условиях.. План лекции 1. Фундаменты на просадочных грунтах 2. Фундаменты на пучинистых и набухающих грунтах При строительстве зданий и сооружений на структурно-неустойчивых грунтах при определенных инженерно-геологических условиях зафиксированы многочисленные случаи резко выраженных неравномерных осадок, которые часто приводили к полному разрушению конструкции. К структурно-неустойчивым грунтам относятся лессовые грунты, грунты, находящиеся в мерзлом и вечно-мерзлом состоянии, рыхлые пески, илы, чувствительные пылевато-глинистые грунты, набухающие грунты.Просадкой грунтов называется быстро протекающая осадка, возникающая при коренном изменении структуры грунтов вследствие избыточного увлажнения. Просадочные грунты относятся к структурно-неустойчивым грунтам, которые меняют свои физико-механические свойства при внешних воздействиях. Свойством просадки обладают обычно лёссы и лёссовидные суглинки. Вследствие наличия крупных пор эти грунты иногда называют макропористыми. Отличительные признаки лессовых грунтов следующие: 1) желто- бурая и палево-желтая окраска; 2) высокая пылеватость (содержание пылеватой фракции (0,05-0,005 мм) свыше 50% при небольшом количестве глинистых частиц); 3) повышенная пористость (40-55%) с сетью макропор (размером 1-3 мм), видимых невооруженным глазом; 4) невысокая природная влажность (Sr = 0,4-0,5), поэтому лессовый грунт, помещенный в воду, быстро размокает; 5) способность держать вертикальный откос (до 10 м); 6) высокая карбонатность; 7) однородная (неслоистая) текстура, прерываемая прослоями погребенной почвы. В грунте содержится значительное количество карбонатов. При замачивании они быстро размокают и теряют первоначальную структуру. Расчет оснований, сложенных лёссовыми грунтами, выполняют по деформациям, которые равны сумме осадки от внешней нагрузки и просадки при замачивании. Просадочные грунты характеризуются относительной просадочностью, начальным просадочным давлением и начальной просадочной влажностью. Относительная просадочность — это относительная деформация грунта при его замачивании под нагрузкой. Она устанавливается при испытаниях грунтов при разных напряжениях, вызванных нагрузкой от фундамента и от собственного веса грунта. В зависимости от условий проявления просадочности лёссовых грунтов различают два типа грунтовых условий: •I тип грунтовых условий, при которых просадка происходит в основном от действия внешней нагрузки, а просадка от собственного веса либо не происходит, либо ее значение не превышает 5 см; •II тип грунтовых условий, при которых просадка происходит от внешней нагрузки и собственного веса при значении просадки более 5 см. Так как просадочность грунтов в пределах строительной площадки существенно меняется, для получения достоверных данных необходимо определить ее в разных точках как по простиранию, так и по глубине. В зависимости от величины значения при возможности замачивания выбирают тип фундамента и основания. Для определения ожидаемой просадки необходимо иметь следующие исходные материалы: • напластование грунтов, относительная просадочность каждого слоя при любом интересующем давлении, положение уровня грунтовых вод; • размеры фундамента, глубина его заложения, давление по подошве. Затем обычными методами определяются напряжения от собственного веса грунта и от дополнительной нагрузки, передаваемой фундаментом. Эпюра давлений от собственного веса строится на всю просадочную толщу до уровня до уровня грунтовых вод. Эпюра давлений от уплотняющей нагрузки (фундамента) строится на глубину, установленную нормами. Зная величину суммарных напряжений в каждом слое грунта и относительную просадочность при данном напряжении, находят величину просадки. При определении просадки от собственного веса промежуточные значениях определяют интерполяцией. Проектирование фундаментов на просадочных грунтах осуществляется в следующей последовательности: а) оцениваются инженерно-геологические условия, свойства грунтов, определяется тип грунтовых условий по просадочности: б) рассматриваются варианты устранения просадочных свойств грунтов, прорезки всей толщи грунтов глубокими фундаментами, комплекс водозащитных и конструктивных мероприятий; в) выбирается глубина заложения фундамента; г) определяются размеры фундамента на естественном основании; д) определяется возможная просадка основания; е) уточняются тип основания, глубина заложения, тип фундамента, размеры фундамента; е) в случае необходимости рассчитывается искусственное основание; ж) производится конструктивный расчет фундамента. При анализе инженерно-геологических условий, в первую очередь, оценивают просадочные свойства грунтов. Возможность просадки от собственного веса и ее величина определяются в процессе изысканий путем опытного замачивания в полевых условиях. В зависимости от типа грунтовых условий назначаются мероприятия, обеспечивающие эксплуатационную пригодность сооружения. При I типе просадка возможна только от веса сооружения при попадании воды непосредственно под фундаменты. Для исключения возможности такой просадки устраняют просадочность грунта в пределах деформируемой зоны. При II типе требуется осуществить дополнительные водозащитные или конструктивные мероприятия и устранить просадочные свойства грунта на всю глубину просадочной толщи. При выборе глубины заложения фундаментов учитывают, что верхняя часть лёссовых грунтов часто разрыхлена землероями. Эту зону прорезают и закладывают фундаменты на отметке, где число ходов землероев — не больше двух на 1 м2 дна котлована. При проектировании учитывают, что прорезка всего просадочного слоя снижает просадку до нуля. Рост стоимости фундамента при этом может быть компенсирован экономией на устройстве искусственного основания или водозащитных и конструктивных мероприятиях. Это устанавливается технико-экономическим сравнением вариантов. Устройство глубоких котлованов в просадочных грунтах технически не затруднено: грунты безводны, хорошо держат вертикальные откосы, разработка осуществляется обычными землеройными механизмами. Предварительное определение размеров фундаментов на просадочном грунте производится так же, как на обычных непросадочных грунтах, с использованием расчетного сопротивления грунта. При устройстве фундаментов в вытрамбованном ложе сначала забивают в грунт инвентарные пирамидальные или конические элементы (трамбовки), устраивая вытрамбованные котлованы, в которых затем бетонируют монолитные фундаменты или устанавливают сборные конструкции. Их применяют как в непросадочных, так и в просадочных грунтах. В первом случае эти фундаменты позволяют снизить расход материалов, во втором — устранить просадочные свойства грунтов. Забивные блоки и трамбовки можно погружать в грунт с помощью обычных сваебойных агрегатов. Вытрамбованные котлованы также устраивают с помощью сбрасываемой с высоты 4...8 м трамбовки, получая глубину уплотнения в пределах 0,6... 3,0 м. После забивки блока или после трамбовки вокруг них образуется уплотненная зона грунта, что повышает несущую способность или устраняет просадочность. Полученный трамбованием котлован заполняют бетоном или монтируют в него сборный фундамент. Такие фундаменты можно использовать подобно отдельно стоящим или свайным фундаментам: как столбчатые под колонны каркасных зданий и как ленточные под стены, в том числе прерывистые, с расчетным расстоянием между отдельными забивными блоками или блоками в вытрамбованных котлованах. Рекомендуется использовать фундаменты в вытрамбованных котлованах в просадочных грунтах II типа, если суммарная величина деформации, определяемая просадкой от собственного веса грунта и осадкой от нагрузки, не превышает предельных значений, рекомендуемых нормами, а также для одноэтажных производственных и складских зданий с конструкциями, малочувствительными к неравномерным деформациям, с нагрузкой на отдельный фундамент не более 400 кН и просадкой от собственного веса грунта до 20 см. В проект забивных фундаментов входят обычные данные, приведенные ранее для свайных фундаментов; в случае выполнения фундаментов с трамбованием грунта в проекте дополнительно указывают размеры предусматриваемых в результате трамбования котлованов, параметры используемых трамбовок (размеры, масса, высота сбрасывания, рекомендуемое количество ударов), рекомендуемую влажность трамбуемых грунтов, требуемое количество воды для увлажнения грунтов, ориентировочные размерыуплотненной зоны, расстояния между котлованами прерывистых ленточных фундаментов, размеры уширенной зоны основания, объем втрамбованного в грунт жесткого материала (бетона, щебня, песчано-гравийной смеси), расчетные прочностные и деформационные характеристики уплотненных грунтов, условное расчетное сопротивление и действующие нагрузки. Конструктивные решения узлов опирания колонн или стен на фундаменты в виде забивных блоков или в вытрамбованном ложе аналогичны конструктивным решениям узлов для столбчатых, ленточных или свайных фундаментов: колонны могут заделываться в стакан, стены из штучных материалов опирают на фундаментные балки, а панельные — непосредственно на блоки фундамента. Фундаментные балки опирают непосредственно на фундаменты или на набетонки. Блоки прерывистых ленточных фундаментов размещают на расчетных расстояниях. Расчетное сопротивление грунта основания забивных блоков или в вытрамбованном котловане находят как минимальное значение из двух расчетных сопротивлений: 1) полученного с использованием прочностных характеристик уплотненных грунтов в водонасыщенном состоянии; 2) определенного по формуле, по давлению на грунт природного сложения, подстилающего уплотненную зону. Если при забивке трамбовки в дно котлована втрамбовывают жесткий насыпной материал (щебень, жесткий бетон и др.), то несущую способность такого фундамента с уширенным основанием определяют при полном замачивании просадочного грунта как наименьшее из значений несущей способности по жесткому материалу, втрамбованному в дно котлована, по уплотненному грунту в пределах зоны уплотнения, по грунту природной плотности и влажности, находящемуся ниже уплотненной зоны. Осадки основания фундаментов определяют по схеме двухслойного основания из уплотненного слоя и подстилающего просадочного грунта. Они определяются без учета сжатия жесткого материала, втрамбованного в грунт основания. Размер фундамента в плане принимается равным размерам поперечного сечения уширенного основания из жесткого материала в месте наибольшего уширения, глубина заложения — по низу уширенной части основания. При проектировании фундаментов в грунтовых условиях II типа по просадочности применяют полный комплекс мероприятий по устранению просадочности, в том числе водозащитные и конструктивные мероприятия. Применяют следующие способы и мероприятия: устройство свайных фундаментов с прорезкой толщи просадочных грунтов; закрепление всей толщи просадочных грунтов различными методами; уплотнение грунтов грунтовыми сваями; устройство фундаментов из набивных свай с уширенной пятой, заведенных в нижележащий слой непросадочного грунта; уплотнение грунтов с помощью предварительного замачивания и подводных взрывов при последующем уплотнении трамбованием верхнего слоя грунта; водозащитные мероприятия для уменьшения вероятности замачивания оснований. При возведении легких зданий и сооружений можно полностью исключить возможность проникновения в основания фундаментов дождевых, хозяйственных и подземных вод путем планировки территории, устройства дерновых и асфальтовых покрытий. Для отвода дождевых вод в дождевую канализацию устраивают кюветы, канавы, лотки. Особое внимание следует обратить на удаление воды от фундаментов. Для этого обратную засыпку фундаментов тщательно трамбуют и устраивают водонепроницаемую отмостку, с которой вода отводится с помощью лотков в кюветы и канализацию; конструктивные мероприятия должны назначаться для исключения влияния неравномерных деформаций на здание: повышение прочности и пространственной жесткости или увеличение податливости зданий в стыках и швах. 2. Фундаменты на пучинистых и набухающих грунтах Известны два вида грунтов, увеличивающих свой объем при внешних воздействиях и затем снижающих его при уменьшении этих воздействий: пучинистые и набухающие. Пучинистые грунты увеличивают свой объем при сезонном промерзании и резко уменьшают его при оттаивании (к ним относятся пески мелкие и пылеватые, суглинки, глины и увлажненные крупнообломочные грунты с содержанием более 30% частиц размером менее 0,1 мм). Набухающие грунты (некоторые глинистые грунты) увеличивают свой объем (набухают) при повышенной влажности и уменьшают его при последующем снижении влажности. Напряжения при пучении грунтов велики, они вызывают подъем зданий и сооружений с последующей мгновенной (катастрофической) осадкой, ведущей к деформациям, трещинам, кренам и др. К основаниям, обладающим свойством вспучивания при промерзании, относятся только глинистые (в том числе суглинки) и песчаные грунты (пылеватые, мелкие и средней крупности). Гравелистые и крупные пески к пучинистым не относятся. Песчаные, глинистые грунты и их разновидности обладают мелкопористой структурой, то есть состоят из мелких минеральных частиц, между которыми имеется множество мелких полостей. Эти полости или поры могут содержать влагу. При понижении температуры ниже нуля влага в грунте замерзает, превращаясь в лед, который, как известно, всегда увеличивается в объеме по сравнению с исходным объемом воды. В результате замерзания воды в порах и происходит увеличение всего объема основания, называемое морозным пучением. Основания делятся по степени пучинистости, которая зависит от уровня или глубины, на которой залегают подземные воды. Для глинистых оснований еще имеет значение показатель текучести. Приводим следующую таблицу с градацией по степени пучинистости разных видов грунтов.
Основной показатель – это относительная деформация пучения Efh, которая определяется отношением величины подъема поверхности вспучивающегося основания к толщине промерзшего слоя. Показатель Z – это разница между величиной УГВ и глубиной сезонного промерзания, значение которой равно 1,2 м для отапливаемых зданий, и 1,5 м – для неотапливаемых зданий. Если степень пучинистости по показателям Z и Jl (текучести) отличаются, то принимается большее значение. Так как пучинистые основания проявляют свои негативные свойства при условии насыщения водой, то существует еще один способ классификации, учитывающий условия увлажнения основания зданий по характеру рельефа местности.
То есть, если по показателям Z и Jl основание относится к слабопучинистым, но участок строительства расположен в низине или котловине, то следует считать, что грунты сильнопучинистые. Таким образом, пучинистый грунт – это песчаный или глинистый грунт, подверженный увлажнению и сезонному промерзанию. Выбор конструкции фундамента на пучинистых промерзающих грунтах производят на основе технико-экономического сравнения вариантов фундаментов исходя из инженерно-геологических условий строительной площадки. При этом основными характеристиками пучинистых грунтов являются высота поднятия поверхности промерзшего грунта и относительное пучение. Основным мероприятием, предотвращающим морозное пучение, является заложение подошвы ниже расчетной глубины промерзания. Но такое решение не исключает морозного пучения малонагруженных фундаментов, поэтому для таких фундаментов нужно применять мероприятия по исключению пучения (например, устройство подушек из непучинистых материалов, наклонных граней с прокладкой двух слоев изоляции для предотвращения действия больших касательных усилий). Можно применять фундаменты из забивных блоков и в вытрамбованных котлованах. При устройстве подушки используют песок крупный или средней крупности, мелкий щебень и др. Вместе с тем при технико-экономическом обосновании возможно применение малозаглублен-ных фундаментов на пучинистых грунтах при выполнении комплекса необходимых мероприятий. При проектировании фундаментов назначается глубина заложения фундамента с учетом предупреждения промерзания и пучения грунта под подошвой; при применении подушки из непу-чинистого материала задаются размерами подошвы фундамента и толщиной подушки; рассчитывают основания и фундаменты (по устойчивости и прочности на воздействие сил морозного пучения, по деформации промерзающих грунтов). Пучинистые промерзающие грунты в качестве оснований лучше не использовать. Но если в результате технико-экономического сравнения появится необходимость сокращения стоимости и времени работ, то может быть рассмотрен один из вариантов использования пучинистых промерзающих грунтов в качестве оснований малозаглубленных фундаментов, например с использованием грунтовой подушки. Для этого необходимо, во-первых, проверить условие, что среднее давление под подошвой фундамента не превышает расчетного сопротивления материала подушки, а давление по низу подушки — расчетного сопротивления грунта; во-вторых, проверить фундамент по устойчивости на воздействие касательных сил морозного пучения; в-третьих. определить деформации пучения ненагруженного основания; в-четвертых, после определения температурного режима и динамики сезонного промерзания рассчитать основание по деформациям пучения. Для снижения сил морозного пучения проводят мероприятия, осушающие грунт или не допускающие их водонасыщение в зоне сезонного промерзания и ниже этой зоны на глубине 2...3 м. При малонагруженных фундаментах целесообразно применять конструктивные решения, направленные на снижение сил морозного пучения и деформаций конструктивных элементов зданий, а также приспособление зданий к неравномерным деформациям оснований. Боковые грани фундамента лучше выполнять наклонными. Для уменьшения влияния касательных сил пучения выполняют обратную засыпку непучинистым грунтом или покрывают боковые поверхности изолирующим от смерзания материалом. Для снижения чувствительности к возможным неравномерным осадкам устраивают армированные пояса в фундаментах из сборных блоков. При возведении малозаглубленных столбчатых фундаментов фундаментные балки необходимо укладывать с зазором между ними и грунтом, величина которого не меньше расчетной величины подъема ненагруженного грунта при пучении. Этот зазор должен быть заполнен непучинистым грунтом. При проектировании фундаментов на набухающих грунтах необходимо учитывать возможное набухание при подъеме уровня грунтовых вод; набухание и усадку грунтов в результате изменения водно-теплового режима, усадку грунтов в процессе их высыхания. На величину набухания оказывают влияние влажность и плотность грунтов. Увеличение начальной влажности способствует уменьшению набухания; с увеличением начальной плотности линейно возрастает набухание грунта. Основными характеристиками набухающих грунтов являются давление набухания, влажность набухания, относительное набухание при заданном давлении; относительная усадка при высыхании/ Нормативные значения относительного набухания и относительной усадки определяют по результатам лабораторных опытов при невозможности бокового расширения или по данным полевых испытаний. При расчете оснований из набухающих грунтов деформации уплотнения основания от внешней нагрузки и возможную осадку от уменьшения влажности суммируют. Подъем основания при набухании грунтов рассчитывают в предположении полной стабилизации осадок уплотнения грунтов от внешней нагрузки. Если расчетные деформации оснований больше допустимых, то вводят водозащитные мероприятия (планировку территории со стоком атмосферных вод в канализацию, организованный отвод воды с кровель, устройство отмосток с уклоном не менее 3° и др.); предварительное замачивание набухающих грунтов в пределах всей зоны или ее части; устройство компенсирующих песчаных подушек; замену набухающего грунта не набухающим полностью или частично; полную или частичную прорезку фундаментами слоя набухающих грунтов. Применяют следующие способы устройства фундаментов на сильносжимаемых водонасыщенных грунтах: 1) устройство железобетонных поясов в стенах или фундаментах. Эти пояса должны воспринимать изгибающие моменты, действующие на здание при его прогибе или перегибе вследствие неравномерной осадки основания. При таком расчете необходимо знать неравномерность осадок, чтобы выявить перераспределение контактных давлений, которое вызывает действие изгибающих моментов. Для определения неравномерности осадок нужны подробные данные по инженерно-геологическим изысканиям, которые дают возможность вычислить осадки и определить их неравномерность; 2) устройство песчаных дрен в слабом грунте для уменьшения расстояния движения воды из глинистого слабого грунта в целях сокращения времени уплотнения основания. Песчаные дрены диаметром 400...600 мм и глубиной до 20 м выполняют на расстояниях 2,5 м и объединяют по верху горизонтальным дренирующим слоем в виде песчаной подушки толщиной до 1 м, причем для ускорения процесса отжатия воды сверху устраивают пригрузочную насыпь. Там, где нет песка, можно применять картонные дрены или дрены из других искусственных материалов. Вместо песчаных дрен можно устраивать песчаные сваи путем забивки стальных труб с последующим заполнением полости уплотняемым песчаным грунтом; 3) устройство известковых свай с заполнением негашеной известью проделанных с помощью обсадных труб скважин, что ведет к ее гашению грунтовой водой и увеличению в объеме на 60...80% с уплотнением грунта; 4) выполнение дренирующих прорезей в виде траншей шириной 60...80 см и глубиной до 5,5 м, заполняемых песком, при большой площади уплотняемого основания толщиной до 7 м. Над прорезями также устраивается песчаная подушка; 5) устройство песчаных подушек в целях сокращения глубины заложения подошвы фундаментов и передачи давления на большую площадь. Для устройства подушек используют среднезернистый или крупнозернистый песок, а также щебень, гравий или песчано-гравийные смеси. Размеры подушек определяют исходя из необходимости передачи на слабый грунт небольшого давления от фундаментов, меньшего, чем несущая способность слабого грунта; 6) выполнение жесткого сплошного фундамента под всем зданием, выравнивающего неравномерные осадки. Такой фундамент может быть выполнен коробчатым и «плавающим», учитывающим подъемную силу грунтовых вод; 7) применение свайных фундаментов с развитой боковой поверхностью с учетом эффекта засасывания (вторичное повышение сопротивления во времени по боковой поверхности). Этот эффект нужно устанавливать экспериментально, путем статических испытаний свай на строительной площадке. При некоторых грунтовых напластованиях необходим учет отрицательного трения, если часть грунта, контактирующего с боковой поверхностью свай, будет испытывать большие осадки (будет стремиться переместиться вниз относительно боковой поверхности свай и зависать на боковой поверхности, создавая дополнительную нагрузку на сваю). |