Техническая эксплуатация оснований

Прочность и устойчивость зданий в значительной степени зависят от несущей способности оснований и фундаментов.

Толщина грунта, расположенного под фундаментом и воспринимающая через него нагрузку от здания, называется основанием. Грунты оснований под действием нагрузки от здания деформируются, если при этом не происходит коренного изменения структуры грунта, то такая деформация называется осадкой. В отличие от осадки, просадкой называют деформацию основания связанную с коренными изменениями: выпиранием грунта из-под подошвы фундамента, оседанием отдельных пластов и т.п. Равномерная и незначительная осадка не нарушает прочности и устойчивости зданий. Неравномерная осадка и просадка грунтов могут привести к значительным деформациям зданий. Грунты, используемые в качестве оснований, подразделяются на скальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые.

Скальные и крупнообломочные грунты, практически не сжимаемые под нагрузкой, не подвержены и размыванию и являются надежным основанием для зданий.

Несущая способность песчаных оснований зависит от крупности зерен песка и его влажности. С увеличением неоднородности песчаных грунтов пористость их уменьшается, так как промежутки между крупными частицами заполняются мелкими. Влажные пески более плотные и менее сжимаемые.

Глинистые грунты в сухом состоянии являются хорошим основанием, но при увлажнении они теряют сои свойства: в пластичном и разжиженном состоянии несущая способность глин снижается. Глинистые грунты, обладающие в естественном состоянии видимыми невооруженным глазом порами (макропорами), размеры которых превосходят размеры частиц, составляющих скелет грунта, при увлажнении теряют свою связанность. В таких грунтах образуются просадки, поэтому необходимо принимать особые меры, исключающие увлажнение оснований, сложенных просадочными грунтами.

Необходимо учитывать, что даже весьма значительные осадки, если они равномерны по периметру здания, безболезненно воспринимаются конструкциями. Известны случаи, когда равномерные осадки, измеряемые десятками сантиметров, не вызывали серьезных деформаций и не препятствовали эксплуатации зданий. Более опасными являются неравномерные осадки. По чувствительности к неравномерным осадкам здания и сооружения подразделяются на малочувствительные и чувствительные.

Чувствительные к неравномерным осадкам являются здания, состоящие из жестко связанных между собой элементов, взаимное смешение которых может вызвать в зданиях значительные деформации или местные повреждения. К таким конструкциям относятся крупнопанельные здания с несущими поперечными стенами, рамы с жесткими узлами и др.

Предельные разности осадок отдельных частей оснований фундаментов колонн или стен гражданских зданий не должны превышать 0,002 расстояния между этими частями.

Предельные значения средних осадок оснований зданий, см:

Крупнопанельных и крупноблочных …………………...8

С кирпичными стенами ……………………………………10

Каркасных …………………………………………………. 10

Со сплошным железобетонным фундаментом …………...30

В зависимости от характера развития неравномерных осадков основания и жесткости здания, различают 5 форм деформаций: крен, прогиб, выгиб, перекос, кручение.

Перекос возникает в конструкциях, когда резкая неравномерность

осадок развивается на коротком участке здания.

Крен -поворот здания относительно горизонтальной оси. Наибольшую опасность такой вид деформации представляет для узких зданий повышенной этажности.

Прогиб и выгиб связаны с искривлением здания.

Кручение сооружения возникает при неодинаковом крене по длине зрения, при котором в двух сечениях здания он развивается в разные стороны.

Предельное значение крена, установленное нормами, не должно превышать 0,004 высоты здания. Прогибы здания ограничиваются предельными значениями, не превышающими для крупнопанельных зданий 0,0007 длины участка, на котором проверяют прогиб, а для кирпичных и блочных - 0,00013.

В общем случае осадку каждого фундамента можно рассматривать как сумму 4-ех слагаемых осадок, каждое из которых может принимать различные значения, в том числе может быть равно нулю:

S = S_упл + S_{разуупл} + S_вып + S_расстр,

где: S_упл – осадка в результате уменьшения пористости грунтов под действием нагрузки от здания или уплотнение, вызванное замачиванием оснований, а также нагрузками от рядом расположенных зданий;

S_разупл – осадка здания в связи с разуплотнением верхних слоев грунта;

S_вып – осадка вследствии выдавливания грунта из-под подошвы фундамента;

S_расстр – осадка при нарушении структуры грунта.

Разнообразие причин неравномерных осадок уплотнения требуют постоянного контроля за состоянием оснований в процессе эксплуатации, а также выполнения требований по исключению замачивания грунтов. Среди причин неравномерных осадок уплотнения можно выделить различные инженерно-геологические условия, наличие на участке расположения здания просадочных грунтов, карстово-суффозиозных явлений (расстворение и вынос горных пород с образованием пустот), неравномерная загрузка частей здания, сооружения зданий в непосредственной близости от существующих.

В процессе эксплуатации возможны также осадки разуплотнения S_разупл, которые развиваются под действием массы здания, когда она меньше массы вытянутого грунта.

Осадки выпирания S_вып связаны с развитием пластических деформаций грунта, которые наиболее вероятны при замачивании оснований.

От воздействия различных факторов могут развиваться осадки, вызванные изменением структуры грунта. Структура грунтов может нарушиться вследствие метеорологических воздействий, воздействий грунтовых вод и газа, а также динамических воздействий.

К метеорологическим воздействиям относятся промерзание и оттаивание, набухание и размягчение, высыхание грунтов. Очевидно, что все перечисленные явления могут происходить при нарушении проектных условий в процессе эксплуатации.

При снижении несущей способности оснований применяют различные способы их усиления.

Уплотнение основания песчаными и грунтовыми сваями. Для этого в грунте делают скважины с помощью стальной трубы (сердечника) с башмаком большего диаметра для облегчения извлечения трубы либо путем пробивки скважины-шпура буровой штангой диаметром 42…48 мм с наконечникомдиаметром60…80 мм. Грунт уплотняется силой взрыва взрывчатых веществ (ВВ), закладываемых в образованные бурением скважины, после чего скважины заполняют уплотненным грунтом или песком. Объемная масса скелета грунта достигает значения, при котором основание становится непросадочным (1,55…1,65 т/м³).

Силикатизация грунтов применяется для закрепления сухих и водонасыщенных песков, просадочных макропористых и насыпных грунтов.

Сущность метода заключается в том, что в пески и лессы нагнетают водный расствор силиката натрия, который цементирует грунт и значительно повышает его прочность. Сухие и водонасыщенные пески с коэффициентом фильтрации 2…80 м/сут закрепляют поочередным введением жидкого стекла (силикат натрия) Na₂O·nSiO₂ и хлористого кальция CaCl₂ который является катализатором. Растворы взаимодействуют следующим образом:

Na ₂O•nSiO₂+CaCl₂•mH₂O=nSiO₂•(m-1)H₂O+Ca(OH)₂+2NaCl.

При этом образуется нерастворимый в воде гель кремниевой кислоты, который цементирует частицы песка.

Грунты, пропитанные нефтепродуктами, смолами при наличие грунтовых вод, имеющих рН>9, силикатизации не поддаются.

Пески с коэффициентом фильтрации 0,5…5 м/сут закрепляют одним раствором, состоящим из жидкого стекла и фосфорной кислоты H₃PO₄ или серной кислоты H₂SO₄ и сернокислого алюминия. Для закрепления лёссов и лёссовидных суглинков, макропористых просадочных грунтов выше уровня грунтовых вод с коэффициентом фильтрации 0,1…2 м/сут применяют однорастворный метод силикатизации жидким стеклом плотностью 1,13 г/см³, которое, соединяясь с сернокислотным калием, содержащимся в лёссах и в лёссовидных суглинках, образует нерастворимый гель и цементирует частицы грунта.

Силикатизацию выполняют следующим образом. В грунт на глубину до 15 м погружают перфорированные трубы диаметром 19…38 мм, по которым нагнетают растворы под давлением 1,5 МПа. При двухрастворном способе силикатизации инъекторы погружают попарно на расстоянии 15…20 см один от другого. Оба раствора можно нагнетать по одной трубе поочередно.

Закрепленные жидким стеклом мелкие пески с коэффициентом фильтрации 2…80 м/сут обладают прочностью 15…35 МПа, прочность плывунов доходит до 5…6 МПа; лессовых и просадочных грунтов-до 6…8 МПа, при этом просадочные свойства исчезают.

Иногда для закрепления грунтов применяют электроосмос - явление переноса воды под действием электрического тока. При таком движении вода захватывает с собой частицы грунта. Если процесс электроосмоса протекает длительное время и при этом вода, собирающаяся у катодов, будет откачиваться, то грунт будет обезвоживаться и уплотнятся.

В глинистых грунтах повышение эффекта откачки воды создаётся путем сочетания работы иглофильтров с электроосушением.

Метод электроосмоса можно применять также в сочетании с химическим методом. Длительная работа электродов под действием постоянного тока приводит к их разрушению, при этом продукты разрушения электродов, соединяясь с частицами глинистого грунта, увеличивают его прочность. Иногда через трубы в грунт подают водные растворы солей многовалентных металлов, которые, соединяясь с глинистым грунтом, коагулируют глинистые частицы, цементируют их между собой гелями солей железа и алюминия.

Способ цементации грунтов заключается в нагнетании в грунт под давлением 0,3…0,6 МПа цементного раствора, который, затвердевая в порах грунта, связывает между собой частицы, увеличивая прочность грунта и уменьшая фильтрацию воды. Цементацию можно применить для грунтов с крупными порами, так как частицы цемента могут проникать в щели размером не менее 0,1 мм. К таким грунтам относятся песчано-гравийные, галечниковые и гравийные отложения, а также крупнообломочные грунты в сухом и водонасыщенном состоянии с коэффициентом фильтрации 80…200 м/сут.

Для увеличения водонепроницаемости грунтов и уменьшения их коэффициента фильтрации применяют также битумизацию. Разогретый

битум нагнетают через инъекторы в поры грунта под давлением 2,5 МПа.

Для получения особо прочных песчаных грунтов (1…3 МПа) используют карбамидные смолы. Закрепление песчаных грунтов карбамидными смолами осуществляют по той же технологии, как и при силикатизации двухрастворным методом: закачивают по двум трубам смолу и щавелевую кислоту. Оба вещества можно подавать по одной трубе поочередно. Однако следует иметь в виду, что закрепление грунтов карбамидными смолами очень дорогой способ и его можно применить только в том случае, если другими методами нельзя достичь желаемых результатов.

Имеются и другие способы упрочнения грунтов, но все они связаны с дополнительными затратами. Поэтому при технической эксплуатации зданий необходимо принимать меры, исключающие увлажнение грунтов или нарушение их структуры по другим причинам.

Лекция 8