Фундаменты на набухающих грунтах
Обновлено: 20.05.2024
§ 60. Фундаменты на сильносжимаемых грунтах
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.
10.2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ НА НАБУХАЮЩИХ ГРУНТАХ
К набухающим относятся глинистые грунты, которые, находясь в напряженном состоянии от действия нагрузки или от собственного веса, способны при замачивании водой или растворами увеличиваться в объеме, при этом величина относительно набухания в случае свободного набухания образца без приложения внешней нагрузки ε 0 sω ≥ 0,04 [7].
Набухающие грунты характеризуются большим содержанием глинистых частиц и высокими значениями влажности на границе текучести и числа пластичности; при этом природная влажность их менее влажности на границе раскатывания. Для предварительной оценки набухающих грунтов используется показатель П = (eL – е)/(1 + е) , который для этих грунтов составляет более 0,3.
Набухающие грунты классифицируются следующим образом: слабонабухающие 0,04 ≤ ε 0 sω ≤ 0,08; средненабухающие 0,08 < ε 0 sω ≤ 0,12; сильнонабухающие ε 0 sω > 0,12.
При уменьшении влажности набухающих грунтов возникают деформации усадки, имеющие объемный характер. Увеличение влажности набухающих грунтов в основании фундаментов приводит к подъему последних, а уменьшение — к их осадке, что должно учитываться при проектировании, сооружений. Кроме того, возможны горизонтальные деформации грунта, вызывающие возникновение горизонтального давления набухания, которое следует учитывать при проектировании заглубленных частей или всего сооружения.
Причинами набухания грунта в основании являются: увлажнение грунта подземными и производственными водами; повышение влажности за счет подъема уровня грунтовых вод; накопление влаги под сооружениями в ограниченной по глубине зоне вследствие нарушений природных условий испарения при застройке (экранирование массива грунта сооружениями); изменение водно-теплового режима под действием сезонных климатических факторов.
Усадка грунта вызывается в основном уменьшением влажности под действием температуры от технологических установок или климатических факторов.
10.2.2.Исходные данные для проектирования
Проектирование оснований на набухающих грунтах производится на основе инженерно-геологических изысканий, которые должны отражать:
- – характер напластования и толщину слоя набухающих грунтов;
- – расчетные характеристики набухания и усадки, полученные по данным лабораторных испытаний и полевых работ на площадке, включая данные испытания свай;
- – гидрогеологические условия площадки с учетом возможных изменений в процессе эксплуатации сооружения.
Расчетными характеристиками набухания и усадки грунта являются [2, 4] следующие.
1. Относительное набухание, определяемое по формуле
εsω = (hsat – hn)/hn,
где hsat — высота образца после его набухания (в случаях невозможности бокового расширения) за счет замачивания грунта до полного водонасыщения; hn — исходная высота образца до его замачивания.
Набухание может быть свободным, когда замачивание грунта производится без приложения внешней нагрузки, ε 0 sω и под нагрузкой εsω . Относительное набухание грунта под нагрузкой определяется на образцах, вырезаемых из одного монолита, при ступенях нагрузки 0,025; 0,05; 0,1 МПа и далее с интервалом в 0,1—0,2 МПа до необходимых пределов. Кроме того, испытывается образец под давлением, вызванным весом штампа и измерительного оборудования. На каждой ступени нагрузки испытывается не менее четырех образцов. Результаты испытаний обрабатывают методом наименьших квадратов и строят осредненную зависимость εsω = f(p) (рис. 10.7, а). При определении этой зависимости по данным испытаний штампами в полевых условиях допускается использование единичных значений относительного набухания, полученных при различных давлениях,
2. Давление набухания psω, возникающее при замачивании грунта и характеризуемое давлением, передаваемым на образец в условиях, исключающих возможность бокового расширения, когда деформации набухания равны нулю. Давление набухания принимается на основе кривой εsω = f(р) и соответствует точке пересечения этой кривой с осью давления (см. рис. 10.7, а).
3. Влажность набухания, за которую принимается влажность грунта после завершения его набухания в условиях, исключающих возможность бокового расширения, при отсутствии нагрузки ε 0 sω или при обжатии заданным давлением ε 0 sω .
10.2.3 Проектирование оснований и фундаментов (ч. 2)
Пример 10.6. Рассчитать подъем поверхности при сезонных изменениях влажности набухающего грунта. Амплитуда сезонных перемещений поверхности набухающего грунта вследствие сезонного изменения его влажности с ωmax до ωmin может определяться по формуле (10.63), в которой относительное набухание принимается по формуле
где Δωs — средние значения изменения влажности, вычисляемые по Δω = ωmax – ωmin двух соседних слоев.
Средние значения изменения влажности до глубины Н = 3 м от периода максимального увлажнения ωmax до периода подсыхания ωmin приведены для шести слоев грунта в табл. 10.12.
ТАБЛИЦА 10.12. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ Δω
| Средняя глубина рассматриваемого слоя z , м | ωmax | ωmin | Δω | Δωs |
| 0,25 0,75 1,25 1,75 2,25 2,75 | 0,245 0,302 0,236 0,21 0,261 0,272 | 0,204 0,211 0,225 0,201 0,282 0,273 | +0,141 +0,091 +0,011 –0,021 –0,001 | +0,116 +0,051 +0,0055 –0,0105 –0,0008 |
Решение. Поскольку σz.tot < 0,05 МПа, то ksω = 0,8 для всех слоев. Толщина слоев hi = 0,5 м. Коэффициент пористости e0 = 0,83. Тогда
2/1,83 · 0,8 · 50(0,116 + 0,051 + 0,055 – 0,0105 – 0,011) = 3,4 см.
Усадка основания в результате высыхания набухшего грунта определяется по формуле
где εsh — относительная линейная усадка i -го слоя при действии давления, равного сумме природного и дополнительного давлений от фундамента в середине рассматриваемого слоя при изменении влажности грунта в слое от наибольшего возможного значения до наименьшего; hi —толщина рассматриваемого слоя; ksh — коэффициент, принимаемый равным 1,3; n — число слоев, на которые разделена зона усадки грунта.
Нижняя граница зоны, усадки Hsh определяется экспериментальным путем, а при отсутствии опытных данных принимается равной 5 м. При высыхании грунта в результате теплового воздействия технологических установок нижняя граница зоны усадки Нsh определяется опытным путем или соответствующим расчетом.
Допускается принимать εsh , определяемое без нагрузки, при этом ksh = 1,2.
Пример 10.7. Рассчитать осадку фундамента за счет усадки грунта под действием климатических факторов. Фундамент имеет размер 1×1 м и глубину заложения 2 м. Давление по подошве фундамента р = 0,2 МПа. Основанием служат глины, залегающие слоем толщиной 8 м от поверхности, Плотность грунта равна 2 т/м 3 . Нижняя граница зоны усадки расположена на глубине 5 м.
Решение. Разбиваем массив грунта ниже подошвы фундамента на три слоя толщиной 1 м. В середине первого слоя давление от фундамента σz.pi = pα = 2 · 0,07 = 0,14 МПа.
Давление от собственного веса грунта составляет 0,01 МПа. Общее давление в середине первого слоя равно 0,15 МПа, во втором слое — 0,066 МПа, а в третьем — 0,064 МПа. Относительная усадка при этих давлениях соответственно 0,04; 0,02; 0,015. Тогда ssh = 100 · 1,3(0,04 + 0,02 + 0,015) = 9,8 см.
Если определенная расчетом деформация основания окажется больше допустимой для проектируемых зданий и сооружений, то должны предусматриваться мероприятия:
- – уменьшающие возможную величину деформаций основания;
- – водозащитные, предохраняющие грунты основания от замачивания или ограничивающие степень замачивания;
- – конструктивные, приспосабливающие здания или сооружения к восприятию деформаций.
Предельные максимальные и средние подъемы фундаментов, вызываемые набуханием грунта, принимаются равными 0,25 предельных максимальных и средних осадок для данного сооружения. Расчет оснований на набухающих грунтах по деформациям при усадке производится исходя из условия
s + ssh ≤ su,
где s — совместная деформация основания и сооружения, определяемая расчетом как для обычных набухающих грунтов в соответствии с их деформационными характеристиками, полученными при природной влажности; ssh — деформация основания, вызванная усадкой грунта; su — предельно допустимая совместная деформация основания и сооружения.
К мероприятиям, направленным на снижение или полное исключение возможных деформаций, вызываемых набуханием (усадкой) грунта, относится:
- – устранение свойств набухания грунта основания в пределах всей или части толщи путем предварительного замачивания;
- – применение компенсирующих песчаных подушек;
- – полная или частичная замена слоя набухающего грунта другим не набухающим грунтом;
- – прорезка фундаментами (полная или частичная) слоя набухающего грунта.
При предварительном замачивании скважины располагают в шахматном порядке, а их глубину принимают на 0,5 м меньше расчетной глубины замачивания. Поверхностные марки устанавливают в плане на расстоянии 5 м одна от другой и нивелируют в процессе замачивания через 7—10 дней. После замачивания верхний слой грунта снимают и устраивают грунтовую подушку толщиной 0,3—1 м. Расчет оснований из набухающих грунтов производится в этом случае по характеристикам замоченного грунта.
ТАБЛИЦА 10.13. РАЗМЕРЫ ПЕСЧАНОЙ ПОДУШКИ
| Ширина фундамента b , м | Ширина подушки bp , м | Высота подушки hp , м |
| 0,5 ≤ b ≤ 0,7 0,7 < b ≤ 1 1 < b < 1,5 | 2,4 b 2 b 1,8 b | 1,2 b 1,15 b 1,1 b |
Компенсирующие подушки (табл. 10.13) устраивают на кровле или в пределах слоя набухающего грунта (рис. 10.10) только при ленточных фундаментах шириной не более 1,5 м, давление по подошве которых составляет не менее 0,1 МПа. Подушки устраивают из любых, кроме пылеватых, песков плотностью в сухом состоянии не менее 1,55 т/м 3 .
При небольших вертикальных нагрузках целесообразно применять фундаменты на естественном основании с анкерами, заглубленными в набухающие грунты или полностью их прорезающими. Свайные фундаменты применяются из забивных или набивных свай. Наиболее рациональным является устройство свай с уширением в пределах слоя набухающих грунтов. Высота подъема забивных свай при забивке их в лидирующие скважины, набивных свай и свай-оболочек определяется по формуле
hsω.p = (h´sω – h´´sω)Ω + h´´sω – 0,0001ωN/u,
где h´sω — подъем поверхности набухающего грунта, м; h´´sω — подъем слоев грунта на уровне заложения нижнего конца сваи (при прорезке набухающего слоя грунта h´´sω = 0), м; Ω и ω — коэффициенты, первый из которых зависит от показателя α , принимаемого равным 0,31 м –1 для сарматских глин, 0,36 м –1 для аральских и 0,42 м –1 для хвалынских (табл. 10.14); u — периметр сваи, м; N — расчетная нагрузка на сваю, определенная с учетом коэффициента перегрузки γ = 1 кН.
Фундаменты на набухающих грунтах
Понятие
Набухающие грунты – это один из видов структурно-неустойчивых грунтов. Следовательно, им присуща способность к резкому снижению прочности структурных связей между частицами при определенных воздействиях во время строительства и эксплуатации зданий и сооружений. Таким воздействием является замачивание грунтов водой и особенно растворами серной кислоты.
К набухающим относят глинистые грунты с большим содержанием гидрофильных глинистых минералов (монтмориллонит) и малой влажностью в природном состоянии (W<Wp). Частицы глинистых грунтов представлены различными минералами: полевыми шпатами, слюдами, монтмориллонитом, иллитом, каолинитом, галлуазитом и т.д. Но значительное влияние на набухание при замачивании оказывает преобладание монтмориллонита, который сильнее других поглощает воду.
Значения влажности на пределе текучести и числа пластичности у этих грунтов весьма велики. Поступающая в набухающие грунты влага адсорбируется поверхностью глинистых частиц, образуя гидратные оболочки. При первоначальном относительно близком расположении частиц под действием гидратных оболочек они раздвигаются, вызывая увеличение объема грунта. Часть воды проникает внутрь кристаллов глинистых минералов, также приводя к увеличению объема грунта. При уменьшении влажности набухающих грунтов возникает их усадка, приводящая к объемным деформациям.
Таким образом, набухающие грунты отличаются набуханием (увеличением объема) при увлажнении и усадкой (уменьшением объема) при высыхании.
Распространение
Набухающие грунты имеют широкое распространение. Такие грунты распространены в Египте, Бирме, США, ЮАР, а в Индии более 30% территории занимают так называемые хлопковые почвы. В странах СНГ такие грунты встречаются в Казахстане, Грузии, Азербайджане, Украине, России (Поволжье, Северный Кавказ и других районах). Распространены набухающие грунты в равнинах, реже в предгорных районах, и приурочены к зонам сухих степей и полупустынь. Для районов развития набухающих грунтов характерно незначительное количество атмосферных осадков, общий дефицит влажности воздуха, продолжительные засушливые периоды в летнее время. По условиям залегания набухающие грунты в отличие от лессовых пород могут занимать не только покровное положение, но и располагаться на значительной глубине от поверхности земли. Мощность набухающих грунтов колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров.
Принцип работы компенсирующей подушки состоит в следующем. В связи с тем, что ширина песчаной подушки превышает ширину фундамента, при набухании грунтов происходит выпирание песка между фундаментом и стенкой траншеи. Поэтому при подъеме дна такой траншеи песок вокруг фундамента поднимается, а сам фундамент остается практически неподвижным.
Прорезка набухающих грунтов свайными фундаментами и глубокими опорами эффективна, если толща набухающих грунтов не превышает 12 м. При набухании грунтов возникают силы набухания, направленные вверх и действующие по части боковой поверхности свай, расположенной в пределах толщи набухающих грунтов. Эти силы стремятся поднять сваи вверх. Для исключения подъема длина свай должна быть назначена таким образом, чтобы указанные силы были меньше, чем сумма нагрузок от сооружения и силы сопротивления по боковой поверхности в нижней части свай, заглубленной в ненабухающие грунты. Для увеличения сил сопротивления в заделанной части свай можно применять винтовые сваи или сваи с уширенной пятой.
К конструктивным мероприятиям относится увеличение жесткости зданий путем разбивки их на отдельные отсеки. Крупнопанельные здания, наиболее чувствительные к неравномерным подъемам, следует разделять осадочными швами на отсеки длиной не более 30 м. Увеличение прочности достигается введением армированных поясов толщиной не менее 15 см, устраиваемых в нескольких уровнях по высоте. При использовании набухающих грунтов в качестве естественных оснований необходимо проектировать фундаменты с наибольшим возможным давлением по подошве. Поэтому следует отдавать предпочтение ленточным и столбчатым фундаментам, устраивая фундаменты в виде плит и перекрестных лент только в тех сооружениях, где это обусловлено их конструктивной схемой.
Заключение
Увеличение влажности набухающих грунтов приводит к подъему расположенных в них фундаментов и развитию отрицательного (негативного) трения в случае свайных фундаментов. Профессор Сорочан приводит примеры, когда подъем некоторых конструкций при набухании грунтов основания достигал 580 мм. Усадка грунта после высыхания вызывает осадку сооружений. В ряде случаев представляет опасность также и горизонтальное давление набухания на подземные элементы конструкций.
Так что строительство на набухающих грунтах – это серьезная и актуальная проблема. Недооценка их набухания явилась причиной повреждения многих промышленных и гражданских зданий и сооружений.
Одним из печально известных случаев – обрушение 5-этажного жилого дома в г. Караганда, Казахстан.
Многоквартирный жилой дом, возведенный за счет средств участников долевого строительства, был сдан в эксплуатацию в 2009 году.
1 апреля 2012г., в доме произошло обрушение строительных несущих конструкций, на стенах помещений образовались трещины, здание начало крениться. Из аварийного дома были переселены 138 человек.
6 апреля дом рухнул. По заключениям экспертных организаций основной причиной обрушения части существующего дома явилось отсутствие мероприятий по выполнению требований, исключающих проявление и предотвращение влияния набухающих свойств грунтов на устойчивость здания.
В результате, весь новый жилой комплекс «Бесоба» был снесен.
Несмотря на то, что процессы набухания существенно осложняют строительство и эксплуатацию зданий и сооружений, районы их распространения интенсивно осваиваются. Это объясняется дефицитом свободных территорий для строительства, темпы которого в последнее время показывают тенденции к росту.
Фундаменты на просадочных и набухающих грунтах
Мустафаев А. А.
Фундаменты на просадочных и набухающих грунтах: Учеб, пособие для студентов строит, спец, вузов. — М.: Высш. шк., 1989. — 590 с.: ил.
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.
Строй-справка.ру
Набухающими называют пылевато-глинистые грунты, которые при замачивании водой увеличиваются в объеме.
Следует иметь в виду, что способность набухать имеют некоторые виды шлаков, а также не набухающие в обычных условиях пылевато-глинистые грунты, если они замачиваются отходами химических производств, в частности растворами серной кислоты. В набухающих грунтах возможен и обратный процесс — усадка или уменьшение объема при снижении влажности.
Набухание и усадка грунтов на строительной площадке возможны в результате следующих явлений: 1) подъема уровня подземных вод или инфильтрации (увлажнения поверхностными или производственными водами); 2) накопления влаги в ограниченной по глубине зоне под сооружением в результате нарушения природных условий . испарения, возможного при застройке и асфальтировании городской территории (экранирование поверхности); 3) за счет изменения водно-теплового режима в верхней части зоны аэрации, происходящих в результате влияния сезонных климатических факторов; 4) за счет высыхания от воздействия тепловых источников (котельных, доменных печей, атомных, тепловых электростанций и др.).
При проектировании оснований и фундаментов на набухающих грунтах используют количественную характеристику, называемую относительным набуханием, значение которой находят из выражения.
Нижняя граница зоны набухания при инфильтрации влаги в грунт (рис. 13.5) Н„ принимается на глубине, где суммарное вертикальное напряжение aztot равно давлению набухания psw (минимальному напряжению, при котором набухание прекращается). При экранировании поверхности и изменении водно-теплового режима нижнюю, границу зоны набухания, а также нижнюю границу зоны усадки определяют по опытным данным, а при отсутствии по-,, следних принимают Hsw=HSk = 5 м.
Рис. 13.5. Схема расчета основания при подъеме набухающего грунта
Неравномерности поднятия или опускания фундаментов, возможные в результате набухания или усадки, суммируются с ожидаемыми неравномерностями осадок от действия внешних нагрузок. Если суммарные неравномерности превысят предельно допустимые, устанавливаемые нормами, необходимо предусматривать мероприятия по предотвращению возможного замачивания, аналогичные рассмотренным при наличии в основании лёссовых грунтов.
В некоторых случаях прибегают к предварительному замачиванию в пределах толщи набухающих грунтов, однако выполнение данного мероприятия осложняется медленным протеканием этого процесса. Для его ускорения иногда применяют вертикальные дрены.
Снижения интенсивности набухания удается добиться за счет максимального сокращения сроков работ по возведению фундаментов, используя при этом водонепроницаемые материалы и слабо фильтрующие обратные засыпки.
Иногда применяют компенсирующие песчаные подушки, позволяющие частично сглаживать неравномерное набухание грунта вследствие более раномерного распределения давления на большую площадь. Одновременно песчаные подушки способствуют сравнительно равномерному развитию набухания, обеспечивая отекание влаги с мест большего подъема набухшего грунта в пониженные зоны, где набухание замедлилось, тем самым автоматически регулируя развитие процесса набухания.
Исключить влияние неблагоприятных воздействий от набухания или усадки удается с помощью полной или частичной замены слоя набухающего грунта ненабухающим.
Использование свайных фундаментов с полной прорезкой слоев набухающих грунтов предотвращают вредное воздействие набухания, но не исключает его влияния на полы и конструкции, устраиваемые непосредственно на поверхности грунта. Набухание довольно часто приводит к поднятию полов первого этажа, поэтому для исключения этого явления полы рекомендуется устраивать по перекрытиям. Применение свайных фундаментов с частичной прорезкой толщи набухающих грунтов приводит к существенному уменьшению поднятия фундаментов в случае, если нижележащий слой набухающего грунта имеет небольшую мощность и загружен значительной нагрузкой от прорезаемой толщи.
При прорезке сваями набухающего грунта следует учитывать развитие сил трения по их боковым поверхностям. Если эти силы окажутся больше нагрузки, приходящейся на сваи, то фундамент может подняться, вызвав деформацию сооружения.
Рис. 13.6. Фундамент из буронабивных свай с уширенной пятой в условиях набухающих и испытывающих усадку грунтов: 1 — водонепроницаемая отмостка; 2 — ростверк; 3 — песок; 4 — набухающий или испытывающий усадку грунт; 5 — свая с уширением; 6 — ненабухающий грунт
Для полного исключения влияния возможных сезонных вертикальных колебаний поверхности грунта часто устраивают фундаменты из буронабивных свай с уширением (рис. 13.6). Заделка нижнего уширенного конца свай в ненабухающий грунт уменьшает вредное воздействие трения по боковой поверхности. Горизонтальное воздействие усадки и набухания устраняют с помощью обратной засыпки пазух песком и укладки в зоне подошвы ростверка продольной арматуры, воспринимающей горизонтальные поперечные разрывающие усилия.
Основания, сложенные насыпными грунтами, необходимо проектировать с учетом их неравномерной сжимаемости, значительной неоднородности по составу, возможности самоуплотнения, рсобен-Но при динамических воздействиях, изменения гидрогеологических условий, а также возможности разложения органических включений. Насыпные грунты из шлаков и глин следует рассчитывать с учетом возможности набухания при замачивании водой.
Модуль деформации насыпных грунтов, как правило, необходимо определять по результатам штамповых полевых испытаний, а неравномерность сжимаемости — по результатам лабораторных и полевых испытаний.
Бели насыпные грунты сложены из просадочных, набухающих или имеют относительное содержание органического вещества I > 0,1, то их расчет следует производить в соответствии с требованиями, изложенными ранее.
Расчетное сопротивление основания определяют по формуле (4.10) с помощью данных лабораторных исследований о значениях величин (рп и сп. Предварительные размеры фундаментов разрешается назначать в соответствии с условными расчетными сопротивлениями R0, определяемыми по табличным данным СНиПа для насыпных грунтов, имеющих I
Особенности заложения фундаментов на набухающих грунтах
Набухание грунтов происходит при разработке грунтов в котлованах и укладке грунтов в насыпи – так как основная масса грунта, принадлежит к покровным отложениям, четвертичного возраста, венчающим все геологические разрезы.
Перекрытые ими дочетвертичные глинистые породы набухают сильнее в силу более высокой плотности, меньшей влажности, разгрузки при вскрытии котлованами, выемками, когда и происходит разрушение структурных связей при воздействии осадков и смены температурного режима.
В естественном состоянии глины, вмещающие, перекрывающие и подстилающие пласты водоносных песков, не размягчаются подземными водами, а как бы консервируются; подземные воды не влияют на склонность коренных глин к набуханию.
Однако при разработке котлованов происходит снятие слоя грунта, уменьшение давления, и доступ к коренным отложениям влаги, и возможности изменения температурного режима.
Сильнее всего склонны к усадке и набуханию морские и озерные глины палеогена, неогена и четвертичной системы, особенно мелководных фаций, и элювий-делювий этих пород.
Более сильно подвержены усадке и набуханию высокодисперсные глины средней и высокой степени литификации, обладающие обратимыми коагуляционными и стабилизационными структурными связями.
Как правило, содержание в них частиц мельче 0,005 мм превышает 50 %, число пластичности составляет 0,28, границы раскатывания и текучести соответственно превышают 0,27 и 0,55. В составе этих глин присутствуют минералы групп гидрослюд, монтмориллонита и бейделлита;
Набухание — способность глинистых пород к увеличению своего объема во взаимодействии с водой. Набуханием называется увеличение объема грунта в процессе смачивания.
Способность к набуханию связана с гидрофильным характером глинистых минералов, слагающих связные грунты, и большой удельной поверхностью последних.
Набухание — это результат гидратации грунта которое обусловлено в основном образованием в грунте рыхлосвязанной воды. Оболочки связанной воды, формирующиеся вокруг коллоидных и глинистых частиц, уменьшают силы сцепления между ними, раздвигают их и этим вызывают увеличение объема грунта.
Набухание характеризуется влажностью (количеством воды, впитанной образцом испытуемого грунта при полном набухании), давлением, которое развивается в набухшем образце, и величиной набухания (отношением объема или высоты набухшего образца к первоначальному его объему или высоте до набухания.).
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».
Набухающие грунты характеризуются давлением набухания рsw , влажностью набухания wsw, относительным набуханием εsw при заданном давлении σsw и относительной усадкой при высыхании εsh, характеристики набухающих грунтов – конечная (установившаяся, равновесная) влажность грунта weq, так и начальные значения влажности wo и коэффициента пористости eo.
По относительной деформации набухания без нагрузки e_sw глинистые грунты подразделяют согласно таблице.
| Разновидность глинистых грунтов | Относительная деформация набухания без нагрузки e_sw, д.е. |
| Ненабухающий | менее 0,04 |
| Слабонабухающий | от 0,04 до 0,08 |
| Средненабухающий | свыше. 0,08 до 0,12 |
| Сильнонабухающий | свыше 0,12 |
Для набухающих грунтов, при проектировании на них, зданий и сооружений, необходимо учитывать распространение и условия залегания, их мощность, минеральный и литологический состав, строение (наличие карманов, линз и прослоек пылеватого и песчаного материала); структурно-текстурные особенности, условия залегания покрывающих и подстилающих грунтов; величину раскрытия, глубину и направление распространения усадочных трещин, мощность зоны трещиноватости; относительное набухание (свободное и под нагрузками); влажность грунта после набухания; давление набухания; линейную и объемную усадку грунта; влажность на пределе усадки; оценку изменения свойств набухающих грунтов при строительстве и эксплуатации объектов.
§ 61. Фундаменты на просадочных и набухающих грунтах
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?
Читайте также: