Проектирование фундаментов в слабых водонасыщенных глинистых грунтах

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

«Проектирование фундаментов в слабых водонасыщенных глинистых грунтах»

 

по  дисциплине «Проектирование фундаментов подземных сооружений в сложных геологических условиях»

 

 

 

                                                   

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение

Структурно-неустойчивыми  называют такие грунты, которые обладают способностью изменять свои структурные свойства под влиянием внешних воздействий с развитием значительных осадок, протекающих, как правило, с большой скоростью.

Внешние воздействия, обусловливающие разрушение структуры грунтов, подразделяют на физические и механические. Увлажнение грунтов, их промерзание и оттаивание, суффозия и выветривание рассматриваются как основные виды физического воздействия. К механическим относятся передача внешней нагрузки, перемятие грунтов, воздействие на грунт динамическими импульсами.

К структурно-неустойчивым относятся слабые сильно сжимаемые  глинистые грунты, лессовые просадочные, водонасыщенные биогенные, засоленные, набухающие и вечномерзлые грунты. Они используются в качестве оснований зданий и сооружений при условии учета возможного нарушения структуры и развития значительных и неравномерных осадок.

В данной контрольной работе рассматриваются особенности проектирования фундаментов на слабых водонасыщенных глинистых грунтах.

 

1. Слабые водонасыщенные глинистые грунты

К слабым водонасыщенным относятся глинистые грунты различного происхождения (аллювиальные, морские) с модулем общей деформации грунтов  Е ≤ 5 МПа (при изменении давления до 0,3 МПа) и степенью влажности Sr>0,8 (более 80% пор заполнены водой). Такими являются илы, ленточные глинистые отложения, водонасыщенные лессовые макропористые грунты. К слабым можно отнести и водонасыщенные биогенные грунты (заторфованные, торфы и сапропели). Присутствие в таких грунтах большого количества органических веществ (более 10%) обусловливает ряд специфических свойств, поэтому изучение этих грунтов нужно проводить по специальной методике.

Рассматриваемые грунты характеризуются следующими особенностями, специфичными вообще для  слабых грунтов:

1) обладают большой и неравномерной сжимаемостью; возведенные на таких грунтах здания и сооружения претерпевают большие осадки;

2) слабые водонасыщенные глинистые грунты имеют низкую прочность; определенные по методике быстрого сдвига значения угла внутреннего трения и удельного сцепления составляют соответственно 4...10° и 0,006...0,025 МПа;

3) процесс уплотнения  слабых водонасыщенных глинистых  грунтов идет очень медленно  и достигает иногда нескольких  десятилетий;

4) структурные  свойства слабых водонасыщенных  глинистых грунтов характеризуются, как правило, неустойчивостью и низкой структурной прочностью сжатия.

Слабые водонасыщенные глинистые грунты занимают 11 % общей  территории РФ. Большая часть их располагается вдоль рек, морей и озер. По условиям образования они подразделяются на морские грунты, глинистые грунты озерного, речного, аллювиального и пролювиального происхождения.

Биогенные грунты по характеру залегания классифицируются на открытые (не перекрытые естественными  песчано-глинистыми отложениями), погребенные (залегают в виде линз или слоев и перекрытые естественными отложениями) и искусственно погребенные (перекрытые искусственно сформированными отложениями).

Морские грунты широко распространены в районе Беломоро-Балтийского  бассейна, слагают большую часть Ледовитого океана, бассейна нижнего течения Печоры, Северной Двины. Слабые глинистые грунты морского происхождения распространены на территории Западной Сибири, Урала, на Чукотском и Охотском побережьях, Сахалине. В южных районах нашей страны морские глинистые отложения распространены на территории Черноморского бассейна, Таманском и Керченском полуостровах, Азовском побережье. Водонасыщенные глинистые грунты занимают территорию дельты Волги, Амударьи, Оби, Енисея и др.

За последние  годы строительство на слабых водонасыщенных глинистых грунтах приобрело большой размах в связи с ограничением использования пахотных земель для строительства зданий и сооружений. Поэтому проблема строительства на этих грунтах становится особенно актуальной.

Физико-механические свойства слабых водонасыщенных глинистых грунтов определяются рядом факторов (минералогический, химический состав, природное состояние и др.).

Деформационные  свойства этих грунтов характеризуются  модулем деформации грунтов и  коэффициентом бокового расширения (коэффициентом Пуассона). Модуль общей деформации рекомендуется определять в полевых условиях жесткими круглыми штампами площадью 1 тыс. см2, а время испытаний назначается до полной стабилизации осадки. Достоверность таких испытаний проверяется опытами на штампах площадью 10 тыс. см2. В лабораторных условиях испытания сжимаемости слабых глинистых грунтов проводят на компрессионных приборах и приборах трехосного сжатия. С учетом текучести и подвижности биогенных грунтов и илов компрессионные испытания следует проводить малыми ступенями нагрузок (0,0025, 0,005 МПа). За условную стабилизацию следует принимать приращение вертикальной деформации образца 0,01 мм за 24 ч наблюдений.

Исследование  сжимаемости слабых водонасыщенных глинистых грунтов свидетельствует о зависимости величины модуля общей деформации от напряженного состояния грунта (от 2 до 7 раз при изменении давления от 0 до 0,5 МПа). Существенное влияние оказывает режим нагружения образцов грунта.

Структурная прочность  сжатия является важной величиной и зависит от статического или динамического воздействия на грунт. Она зачастую используется в расчетах консолидации слабых грунтов, при проектировании дрен, песчаных подушек, песчаных свай и др.

Коэффициент бокового давления также зависит от напряженного состояния. При внешнем давлении, меньшим структурной прочности сжатия, коэффициент бокового давления не превышает 0,1. С превышением внешнего давления на 20 % над структурной прочностью коэффициент бокового давления возрастает до 0,43...0,56. Дальнейший рост давления на образец до 0,25МПа вызывает увеличение коэффициента бокового давления до 0,84.

Исследования  прочностных характеристик слабых водонасыщенных глинистых грунтов  показали, что они зависят от ряда факторов. В частности, с уменьшением  скорости сдвига увеличивается сопротивление таких грунтов сдвигу. В зависимости от выбранных критериев разрушения результаты сдвиговых испытаний имеют различные параметры. Значительное влияние на прочностные характеристики оказывает возникающее в образце поровое давление. С учетом изменчивости прочностных характеристик слабых глинистых грунтов разработана методика их определения. На стадии проектного задания или ТЭО все образцы грунта испытывают по методике ускоренного неконсолидированного сдвига при вертикальных напряжениях 0,025; 0,05; 0,075; 0,1; 0,15; 0,2 МПа и продолжительности опыта на сдвиге 5...6 мин. Это позволяет выделить участки с более или менее прочными или, наоборот, со слабыми грунтами. На стадии рабочей документации прочностные характеристики следует определять с учетом совместной работы сооружения и основания (скорости возведения, расчетной схемы вероятной потери устойчивости, типа сооружения и т.д.).

На стадии проектного задания необходимо проводить предварительные  расчеты консолидации слабых глинистых грунтов на различной глубине. Если эти грунты имеют небольшую толщину, то прочностные характеристики следует определять по методике нормально уплотненных образцов. Для водонасыщенных глинистых грунтов, которые подвергались вначале большому давлению с последующим снятием этого давления, сопротивление сдвигу следует определять на переуплотненных образцах. При большой мощности слабых водонасыщенных глинистых грунтов (более 5 м) прочностные характеристики определяются на недоуплотненных образцах. На стадии рабочих чертежей испытания грунтов на сдвиг для расчетов оснований производятся с учетом реальной степени консолидации грунта.

Фильтрационные  свойства слабых водонасыщенных глинистых  грунтов обладают рядом особенностей. В частности, фильтрация воды у многих видов слабых глинистых грунтов отличается от закономерности, определяемой законом Дарси (начальный градиент напора). В процессе уплотнения таких грунтов существенно изменяются коэффициент и начальный градиент напора. При этом коэффициент фильтрации и коэффициент пористости связаны логарифмической зависимостью.

В зависимости  от структурных свойств слабых водонасыщенных глинистых грунтов и действующих  градиентов напора фильтрационные характеристики изменяются во времени. Вследствие анизотропности этих грунтов значения коэффициентов фильтрации в вертикальном и горизонтальном направлениях могут отличаться более чем в 10 раз.

С учетом этих особенностей в процессе исследований фильтрационных свойств водонасыщенных глинистых  грунтов необходимо установить коэффициент фильтрации и начальный градиент напора для образцов естественной пористости после уплотнения его давлением 0,3...0,5 МПа, а также при горизонтальном движении воды через образец. Необходимо также установить изменения этих характеристик в течение длительного времени.

Для ряда зданий и сооружений допускаются незначительные по величине осадки (статически неопределимые  системы и др.), поэтому прогноз  их развития должен выполняться с  большой точностью. В связи с  этим необходимо учитывать процессы ползучести, которые имеют место при сжатии водонасыщенных глинистых грунтов.

Общая величина осадки образца подразделяется на часть  осадки, скорость которой описывается  теорией фильтрационной консолидации, и вторую часть, у которой скорость изменения деформации описывается процессами вторичной консолидации.

Опыты показали, что у некоторых видов водонасыщенных глинистых грунтов процесс консолидации может быть описан только фильтрационной теорией. И в то же время у ряда слабых грунтов осадка за счет процессов вторичной консолидации может составлять большую часть общей осадки (60...90%).

При проведении инженерных геологических изысканий  площадок, сложенных водонасыщенными  биогенными грунтами, необходимо установить характер их залегания в плане  и по глубине, а также содержание органического вещества Jom и степень разложения органического вещества Dpd в торфах. Прочностные характеристики этих грунтов определяются по результатам сдвиговых испытаний образцов в условиях завершенной консолидации или на приборах трехосного сжатия по методике консолидированно-дренированных опытов.

Характеристики  деформируемости биогенных грунтов  и илов определяются по результатам  компрессионных испытаний. С учетом большой сжимаемости этих грунтов  высота испытуемых образцов должна быть 30...50 см.

При расчете оснований, сложенных биогенными грунтами и илами, по первой и второй группе предельных состояний необходимо использовать расчетные характеристики, определяемые, как правило, на основе полевых или лабораторных опытов. Ориентировочные расчеты могут выполняться с использованием табличных значений характеристик физико-механических свойств сапропелей, илов или торфов.

2.   Методы строительства зданий и сооружений на водонасыщенных слабых глинистых грунтах

При строительстве, промышленных и гражданских зданий в большинстве случаев идут на создание искусственных оснований путем уплотнения слабых водонасыщенных глинистых грунтов.

Если такие  грунты имеют мощность до 12 м и  подстилаются прочными породами, то в  таких случаях применяются сваи с полной прорезкой слабых водонасыщенных глинистых грунтов с опиранием на прочные породы.

Искусственные основания при строительстве  зданий и сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах создаются  зачастую в виде песчаных подушек  толщиной до 7 м при наиболее часто  повторяющихся толщинах 1...2 м.

Песчаные подушки позволяют уменьшить глубину заложения фундаментов и распределить давление на площадь большую, чем подошва фундамента. Это дает возможность передать давление на слабые грунты значительно меньшей величины, чем давление на грунты под подошвой фундамента (рис: 2.1).

Рис. 2.1. Схема песчаной подушки

 

 В большинстве случаев устройство сплошной песчаной подушки под отдельно стоящие или ленточные фундаменты позволяет уменьшить общую величину осадок — значительно снизить ее неравномерность.

Особо возрастает роль песчаной подушки в качестве дренирующего слоя. В этом случае под  действием внешней нагрузки происходит отжатие поровой воды и процесс  консолидации водонасыщенных слабых грунтов  значительно ускоряется.

Песчаные подушки отсыпаются чаще всего из среднезернистых и крупнозернистых песков, щебня, гравия, гравийно-песчаной смеси.

Расчет песчаной подушки состоит в определении  ее размеров (высоты, горизонтальных размеров), проверки устойчивости на действие горизонтальных сил. Вначале по данным гранулометрического состава песка и возможных методов его уплотнения в теле песчаной подушки находят коэффициент пористости и модуль общей деформации.