Особенности проектирования фундаменты на структурно-неустойчивых грунтах: илистых, заторфованных, набухающих, ленточных глинах, лессовидных. Особенности проектирования.

 

Сложные основания характеризуются наличием слабых, элювиальных, искусственных, просадочных, засоленных, набухающих, пучинистых при промерзании грунтов.

Сильносжимаемые грунты. В слабых сильносжимаемых грунтах (неуплотненные водонасыщенные глинистые грунты, в том числе озерно-ледниковые глины, суглинки и супеси; илы, заторфованные грунты; рыхлые пески; водонасыщенные, пылеватые, намывные грунты) при механических воздействиях (быстрое приложение давления более структурной прочности, перемятие, динамические воздействия и др.) легко разрушаются структурные связи, резко уменьшаются показатели прочности, существенно увеличивается деформируемость и ее неравномерность.

При расчете оснований, полностью или частично сложенных илом, биогенными (торф, заторфованный грунт, сапропель) и слабыми водонасыщенными пылевато-глинистыми грунтами, следует использовать результаты определений прочностных, деформационных и фильтрационных характеристик грунтов при давлениях или в диапазоне давлений, соответствующих напряженному состоянию грунтов оснований на различных этапах возведения сооружений, применительно к принятой расчетной модели.

Следует учитывать медленное развитие осадок таких грунтов во времени и возможность в связи с этим возникновения нестабилизированного состояния, существенную изменчивость и анизотропию прочностных, деформационных и фильтрационных характеристик и их изменения в процессе консолидации основания, значительную тиксотропию ила, как правило, сильную агрессивность к материалам подземных конструкций.

Опирание фундаментов непосредственно на поверхность средне- и сильнозаторфованных грунтов, торфов, слабоминеральных сапропелей и илов не допускается.

Если непосредственно под подошвой фундамента залегает слой грунта с модулем деформации Е < 5,0 МПа толщиной более ширины фундамента, осадка основания должна определяться с учетом полного давления под подошвой фундамента.

При расчете по деформациям оснований, включающих биогенные грунты и илы, среднее давление под подошвой фундамента от действующих нагрузок (Р), МПа, не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания (R), МПа, при этом величина коэффициента условий работы грунтового основания (γ_с1) должна назначаться в зависимости от содержания органического вещества в грунте.

При залегании кровли биогенных грунтов или илов на глубине (z), м, от подошвы фундамента размеры фундамента должны назначаться такими, чтобы обеспечивалось выполнение условия (6.3).

P_zp + P_zg £ R_z,              (6.3)

где P_zp, P_zg — соответственно вертикальные нормативные давления в грунте на кровлю проверяемого слоя (на глубине z) от дополнительной нагрузки фундамента и от собственного веса грунтов, залегающих выше кровли проверяемого слоя, МПа;

R_z — наименьшее значение расчетного сопротивления слабого грунта на глубине z, МПа.

Расчетное сопротивление грунта (R_z) на глубине (z), м, от подошвы фундамента определяется для условного фундамента шириной (b_z), м.

При величине расчетных деформаций основания, сложенного биогенными грунтами или илами, больше предельных значений или при недостаточной несущей способности основания должны предусматриваться следующие мероприятия:

— полная или частичная прорезка слоев биогенных грунтов или илов глубокими фундаментами;

— полная замена биогенных грунтов или илов песком, гравием, щебнем;

— уплотнение грунтов временной или постоянной пригрузкой основания сооружения или всей площади строительства насыпным, намывным грунтом или другими материалами;

— закрепление грунтов

Набухающие грунты. Плотные глинистые маловлажные грунты, особенно со­держащие большое количество частиц минерала монтмориллонита, набухают при увлажнении, а при последующем понижении влажности испытывают обратный процесс - усадку, что связано с изменением структуры в результате образования или ликвидации гидратных оболочек вокруг минеральных частиц.

Основания, сложенные набухающими грунтами, должны проектироваться с учетом возможности их набухания при повышении влажности и усадки при ее уменьшении. Способность грунтов к набуханию устанавливается опытным путем по результатам лабораторных или полевых испытаний по ГОСТ 24143.

При проектировании оснований, сложенных набухающими грунтами, следует учитывать:

— возможность набухания грунтов за счет подъема уровня подземных вод или увлажнения их производственными или поверхностными водами;

— набухание за счет накопления влаги под сооружением в ограниченной по глубине зоне вследствие нарушения природных условий испарения при застройке и асфальтировании территории;

— набухание и усадку грунта в верхней зоне аэрации за счет сезонных климатических факторов;

— усадку за счет высыхания грунтов от воздействия тепловых источников.

Основания, сложенные набухающими грунтами, должны рассчитываться в соответствии с общими требованиями проектирования оснований сооружений. Деформации основания в результате набухания или усадки должны определяться путем суммирования деформаций отдельных слоев, при этом величины деформаций основания от внешней нагрузки и от возможной усадки при уменьшении влажности набухающего грунта должны суммироваться. Подъем основания в результате набухания грунта должен определяться в предположении, что деформации основания от внешней нагрузки стабилизировались.

Лессы и лессовидные грунты устойчивы в условиях малой влажности, а главное - в условиях природно-сложившегося стока поверхностных вод. При увеличении влажности (замачивании) структурные связи между частицами разрушаются, что приводит к просадкам лессовых грунтов и снижению их прочности.

Основания, сложенные просадочными грунтами, должны про­ектироваться с учетом их особенностей, заключающихся в том, что при повышении влажности выше определенного уровня они испытывают дополнительные быстропротекающие деформации (просадки) от внешней нагрузки и собственного веса.

Количественной характеристикой просадочности является относительная просадочность, которая представляет собой относительную осадку (просадку) грунта при заданных давлениях и степени повышения влажности. Относительная просадочность определяется по формуле

где h_n,p - высота образна грунта природной влажности, обжатого без возможности бокового расширения напряжением σ_z, равным напряжению, действующему на глубине z, от собственного веса фунта σ_zg или дополнительному напряжению σ_zp в зависимости от вида рассчитываемых деформаций; h_sal,p - высота того же образца после замачивания его до полного водонасыщения при сохранении напряженного состояния; h_ng- высота того же образца природной влажности, обжатого давлением, равным напряжению σ_zg от собственного веса грунта, на рассматриваемой глубине (рис. 9.2. а).

Рис. 9.2. Зависимость: а -деформаций; б - относительной просадочности лессового грунта от уплотняющего давления

Основными характеристиками просадочных грунтов, кроме относительной просадочности ε_sl, являются также начальное просадочное давление р_sl и начальная просадочная влажность w_sl, модуль деформации при естественной влажности Е и в водонасыщенном состоянии E_w; коэффициент изменчивости сжимаемости основания α; удельное сцепление с и угол внутреннего трения φ при естественной влажности и в водонасыщенном состоянии; удельное сцепление с и угол внутреннего трения φ в водонасыщенном состоянии уплотненных просадочных грунтов до заданной плотности.

Относительная просадочность грунта зависит от давления и представляется в виде графика ε_sl=f(p) (рис. 9.2, б). Если ε_sl < 0,01. то грунт условно считается непросадочным.

Грунтовые условия строительных площадок, сложенных просадочными грунтами, в зависимости от возможности проявления просадки грунтов от собственного веса, подразделяют на два типа:

I тип - грунтовые условия, в которых возможна в основном просадка грунтов от внешней нагрузки s_sl,p, а просадка от собственного веса s_sl,g отсутствует или не превышает 5 см;

II тип - грунтовые условия, в которых, помимо просадки грунтов от внешней нагрузки s_sl,p, возможна их просадка от собственного s_sl,g и размер ее превышает 5 см.

Расчет просадок выполняется в тех случаях, когда не предусматриваются мероприятия по устранению просадочных свойств грунтов или когда эти свойства устраняются лишь частично, а принимаемые меры против замачивания недостаточны.

При возможности замачивания грунтов и развития недопустимых просадок следует предусматривать одно из мероприятий: а) устранение просадочных свойств грунтов в пределах всей просадочной толщи; б) прорезку просадочной толщи глубокими фундаментами; в) осуществление комплекса мер, включающего подготовку оснований, частичное устранение просадочных свойств грунтов, водозащитные и конструктивные мероприятия.

Выбор указанных мероприятий должен производиться с учетом типа грунтовых условий, вида возможного замачивания, расчетной просадки, конструктивных особенностей сооружений, взаимосвязи проектируемых сооружений с соседними объектами и коммуникациями.

В грунтовых условиях I типа устранение просадочных свойств грунтов допускается выполнять только в пределах верхней части зоны просадки, но не менее 2/3 ее высоты, если конструкции сооружения рассчитаны на возможные деформации основания, а просадки и их неравномерность не превышают 50% предельных деформаций, допустимых для данного сооружения. Устранение влияния просадочности в этих грунтовых условиях возможно следующими способами: снижением давления по подошве фундаментов малоэтажных зданий до величины, при которой в основании на всех глубинах напряжение меньше начального просадочного давления; уплотнением грунта тяжелыми трамбовками, массу которых подбирают в зависимости от мощности просадочной толщи в пределах 5—10 т и более (рис. 9.4, а); устройством грунтовых подушек или путем сочетания уплотнения нижней зоны просадочной толщи с уплотненной грунтовой подушкой в верхней зоне (рис. 9.4, б); устройством набивных или забивных фундаментов в вытрамбованных котлованах, а также изготовлением коротких набивных свай или забивкой пирамидальных свай (рис. 9.4, в); прорезкой просадочной толщи сваями и передачей нагрузки на подстилающие фунты (рис. 9.4, г).

Рис. 9.4. Различные варианты устройства оснований и фундаментов в грунтовых условиях I типа иросадочности: 1 - уплотненный грунт: 2 - просадочный грунт 3 - непросадочный грунт: 4 - нижняя граница просадочного грунта; 5 - грунтовая подушка, уплотненная послойно; 6 - сваи; 7 - набивной или забивной фундамент, пирамидальная короткая свая; 8 - щебень, втрамбованный в грунт

В грунтовых условиях II типа возможны следующие варианты устройства фундаментов: прорезка просадочной толщи сваями различного типа или глубокими фундаментами (рис. 9.5, а); закрепление грунтов химическими или термическими способами (рис. 9.5. б): уплотнение грунтов предварительным замачиванием в сочетании с глубинными взрывами и уплотнение тяжелыми трамбовками (рис. 9.5, в); уплотнение грунтов грунтовыми сваями (рис. 9.5, г).

Рис.9 5 Различные варианты устройства оснований и фундаментов в грунтовых условиях при II типе просадочности: 1 -просадочный грунт: 2 - непросадочный фунт: 3 закрепленный грунт; 4 - зона уплотнения грунта грунтовыми сваями; 5 - грунтовые сваи: 6 - сваи: 7 - уплотненный грунт; 8 - грунт, уплотненный тяжелыми трамбовками

Могут применяться и другие методы устранения просадочных свойств грунтов и прорезки просадочной толщи. В грунтовых условиях II типа наряду с устранением просадочности и прорезкой толщи просадочных грунтов должны предусматриваться водозащитные мероприятия, а также соответствующая компоновка генерального плана застраиваемой территории. Лучшими решениями являются сохранение природного рельефа местности и дернового покрова, а также эффективная система водостоков и других водозащитных мероприятий.

После уплотнения или закрепления просадочной толщи грунтов определяют показатели их физико-механических свойств, необходимые для расчета фундаментов.

Особенности проектирования и возведение фундаментов на структурно-неустойчивых грунтах. При проектировании фундаментов на сложных основаниях следует предусматривать следующие мероприятия:

— защиту основания от увлажнения посредством вертикальной планировки и асфальтирования территории с отводом воды за пределы строительной площадки и дренажем основания. устройства уширенной отмостки, противофильтрационных стен (завес и экранов);

— улучшение свойств грунтов, включая их уплотнение, предварительное замачивание, глубинное виброуплотнение, устройство грунтовых свай, различные виды химического закрепления, устройство временного пригруза, полную или частичную замену грунтов основания;

— конструктивные, уменьшающие чувствительность сооружений к деформациям оснований.

К конструктивным мероприятиям относятся:

— увеличение жесткости здания разрезкой его на отдельные блоки осадочными швами;

— применение нежестких, связевых конструктивных схем зданий;

— устройство монолитных (сборно-монолитных) жестких фундаментов;

— устройство жестких горизонтальных диафрагм в уровне перекрытий, а также непрерывных железобетонных поясов по всему контуру здания в уровне плит перекрытий первого и последующих этажей, анкеровка фундаментов и др.;

— увеличение глубины заделки (анкеровки) опорных частей (арматуры) несущих конструкций;

— армирование кирпичных стен и столбов, пилястр и т. п.;

— "гибкое" подсоединение внутренних инже­нерных сетей к наружным коммуникациям;

— устройство приспособлений для выравнивания конструкций сооружения и рихтовки технологического оборудования.

При проектировании свайных фундаментов на сложных основаниях нижние концы всех типов свай и глубоких опор должны заглубляться, как правило, в пески средние и гравелистые прочные и средней прочности, а также в пылевато-глинистые грунты с показателем текучести в водонасыщенном состоянии i_l < 0,6, а при I типе грунтовых условий по просадочности — в слои с i_l < 0,4 для забивных свай и i_l < 0,2 для буронабивных свай.

Заглубление свай в такие грунты должно назначаться по расчету как наибольшее из условий обеспечения допустимой осадки и нагрузки, но не менее 1 м для песчаного и 2 м для остальных грунтов.

Для сооружений III класса ответственности концы свай допускается оставлять в слое грунта со степенью заторфованности I_om < 0,25.

Если по результатам изысканий установлено, что погружение забивных свай, защемленных в грунте, может быть затруднено, в проектной документации должно быть предусмотрено устройство лидерных скважин, диаметр которых должен быть на 50 мм меньше сечения сваи.

Результаты полевых испытаний грунтов сложных оснований зондированием не допускается использовать для определения несущей способности свай и свай-оболочек, а также для определения расчетного сопротивления грунта под их нижним концом и на боковой поверхности.

Испытание свай в сложных основаниях является обязательным.

При соответствующем обосновании в сложных основаниях допускается применять сваи с антифрикционными покрытиями, нанесенными на часть ствола, находящуюся в пределах просадочной толщи.

Отрицательная сила трения по результатам испытаний в грунтах природной влажности на боковой поверхности сваи принимается равной наибольшему предельному ее сопротивлению выдергивающей нагрузке.

При массовой застройке в районах со сложными основаниями следует производить испытания оснований (в т.ч. с их длительным замачиванием) до полного проявления осадок по программе, разработанной для конкретных условий строительства, при необходимости, с привлечением специализированных научно-исследовательских организаций.