Конструктивные методы улучшения оснований

Конструктивные методы основаны на ограничении развития деформаций в зоне влияния сооружения в том или ином направлении. Общим достоинством конструктивных методов является возможность их применения при любых условиях, так как они не связаны с улучшением характеристик грунтов. К недостаткам следует отнести их значительную материалоемкость.

Устройство песчаных подушек. Если в наиболее напряженной зоне под фундаментами залегают слабые грунты, их заменяют более прочными и малосжимаемыми. В этом случае работа основания существенно улучшится. Такое конструктивное мероприятие носит название грунтовой подушки (Рис. 9.1).

 

 

Рис. 9.1Схема устройства песчаной подушки

 

Материалами для таких подушек служат песок, щебень, гравий, реже шлак или другие отходы промышленного производства и местные связные грунты. Материал должен обладать удобоукладываемостью, малой сжимаемостью, относительно высоким сопротивлением сдвигу, устойчивостью при увлажнении и движении подземных вод. Исходя из этих условий, чаще всего подушки отсыпают из среднезернистого или крупного песка.

Методы возведения песчаных подушек должны обеспечить такую плотность песка, при которой практически исключаются недопустимые осадки фундаментов. Песок отсыпают в котлован послойно с уплотнением или сразу на всю высоту подушки.

Плотность грунта в подушках должна составлять не менее 0,95 от максимальной плотности, устанавливаемой опытным путем. При отсутствии опытных данных допускаемая плотность грунта в сухом состоянии должна составлять не менее 1.60 т/м³ для однородных песков и не менее 1,65 т/м³ для разнородных. Модуль деформации крупного песка принимают 30 МПа, средней крупности - 20 МПа. По глубине подушку либо заводят до кровли подстилающего прочного слоя, либо рассматривают ее как распределяющую давление от фундамента p на большую площадь основания.

Расчёт песчаных подушек сводится к определению их размеров и осадок таких оснований. Размеры подушек назначаются в зависимости от размеров фундаментов, их конфигурации, действующего давления на грунт и т.д. Высота песчаной подушки выбирается таким образом, чтобы давление, передаваемое на подстилающий слой, не превышало его расчётного сопротивления R. В данном случае (см. рис. 9.1)

(9.1)

Размеры подушки в плане должны превышать размеры подошвы фундамента с таким расчётом, чтобы боковые напряжения s_x и s_y в пределах её высоты не вызывали потери устойчивости слабого грунта вокруг подушки. Исходя из этого, угол b назначают в пределах 30–45°. При этом, чем слабее грунт, тем угол b принимается больше.

Наличие песчаной подушки позволяет:

- уменьшить глубину заложения фундамента и сократить объём кладки;

- снизить давление от сооружения на сильносжимаемый грунт до величины, которая может быть им воспринята;

- обеспечить практически равномерную осадку сооружения и быструю её стабилизацию за счёт дренирования в подушку вытесняемой грунтовой воды.

Нельзя рекомендовать устройства песчаных подушек при наличии переменного уровня грунтовых вод и работе подушки как дренажа, а также при возможной суффозии из неё песчаных частиц. При устройстве песчаных подушек в пучинистых грунтах выше глубины промерзания их необходимо предохранять от заиливания во избежание пучения.

Когда сооружения большого веса приходится возводить на слабых глинистых и илистых отложениях, песчаные подушки используются, помимо ускорения сроков консолидации, для механического уплотнения слабого основания нагрузкой за счёт веса подушки. При уплотнении илов необходимо отсыпать песок такими способами, при которых исключается разрушение структуры ила. При этом песок не должен перемешиваться с илом, а только лишь уплотнять его своим весом. В противном случае песок, падая большими массами, разрушает природную структуру ила и погружается в него.

Процесс уплотнения благодаря дренирующим свойствам песка сопровождается ускоренной фильтрационной консолидацией и повышением сопротивляемости ила сдвигу по мере его уплотнения. Ширина песчаной подушки устанавливается расчётом, чтобы обеспечить устойчивость сооружения

Шпунтовые ограждения применяют чаще всего при сооружении одиночных фундаментов (мостовых опор) и наличии в их основании структурно-неустойчивых грунтов.Шпунт забивается по всемупериметру фундамента с целью избежать выпирания слабого грунта из-под его подошвы. При этом резко снижаются горизонтальные деформации слабого грунта, который сжимается в шпунтовой обойме в основном в вертикальном направлении. В этом случае осадки сооружения могут быть значительными, но его устойчивость будет обеспечена. Забивают шпунт с таким расчётом, чтобы он прорезал всю слабую толщу с заглублением в прочные грунты (рис. 9.2).

 

Рис.9.2 Устройство в слабых грунтах шпунтового ограждения

1 – фундамент, 2 – шпунт, 3 - слабый грунт, 4- плотный грунт.

 

Верх шпунтового ограждения не должен перемещаться в горизонтальном направлении, для чего его заделывают в фундаментную плиту.

Армирование грунтов. Одним из наиболее эффективных способов укрепления грунтов является их армирование, предложенное французским инженером Видалем. Основная особенность способа заключается в том, что такой грунт является техногенной геокомпозитной несущей конструкцией. Обычные дисперсные грунты практически не воспринимают растягивающие напряжения, поэтому для их восприятия в грунт укладывают одиночные стержни или каркасы чаще всего из металла либо синтетических материалов.

Наиболее широко армогрунт применяют в устоях мостов, основании фундаментов различных сооружений, подпорных стенах, контрбанкетах, насыпях, дамбах и других сооружениях (рис. 9.3). При надлежащей прочности на растяжение и хорошем сцеплении с грунтом армирующие элементы позволяют значительно повышать несущую способность оснований, устойчивость подпорных стенок, увеличивать крутизну и повышать устойчивость откосов насыпей и выемок и др.

а) б) в) г)

 

 

 

Рис.9.3 Армирование грунта:

а - искусственное основание, б - контурное армирование фундамента,

в - армированная насыпь, г - нагельное крепление стен котлована.

1- металлический армоэлемент, 2- бетонная микросвая, 3- прослойки из геотекстиля, 4- металлические нагели, 5- облицовка из торкретбетона.

 

Опыт строительства различных объектов из армогрунта показал следующие преимущества таких конструкций по сравнению с традиционными решениями:

- сокращение продолжительности строительства и трудозатрат;

- уменьшение потребности во временных и вспомогательных сооружениях;

- простота технологического процесса возведения конструкций;

- минимальное нарушение геологического строения основания;

- высокая надёжность и долговечность армоконструкций.

Для строительства любого сооружения из армированного грунта требуется два вида материалов: грунт и арматурные элементы. Выбор применяемых материалов зависит от технических требований к сооружению, а также экономических аспектов строительства.

В принципе может быть использован любой, свободный от органических примесей, грунт, однако исходя из требований практической целесообразности его виды, как правило, бывают ограниченными. В общем случае местные грунты или отходы производства бывают экономически наиболее выгодными, хотя они могут обладать худшими свойствами.

Несвязные грунты более предпочтительны. Их преимуществом является то, что они обеспечивают устойчивость, свободное дренирование невосприимчивость к процессам промерзания и морозного пучения, относительное отсутствие коррозионной активности по отношению к армирующим элементам. Основной недостаток заключается в том, что они обычно являются привозными, а значит, имеют более высокую стоимость.

Для связных грунтов основное преимущество в их доступности. Ограничениями их применения могут быть проблемы длительной устойчивости, надёжности, долговечности и коррозионной активности.

Материалом для армирующих элементов могут быть металлические стержни, листы или ячеистые конструкции, синтетические геоткани и георешётки, композитные элементы, железобетонные конструкции, изношенные покрышки и т.д.

Конструктивную систему из армогрунта часто рассматривают как армированный бетонный монолит. Для более точного определения напряжённого состояния конструкций из армогрунта их рассчитывают методом конечных элементов.