Проектирование фундаментов в слабых водонасыщенных глинистых грунтах

Высоту песчаной подушки определяют из следующих  условий:

где — вертикальное напряжение на слабый слой грунта от внешней нагрузки по подошве песчаной подушки; — вертикальное напряжение от собственного веса грунта, приходящееся на слабый слой грунта в основании песчаной подушки; s — совместная деформация основания и сооружения, определяемая по СНиП 2.02.01—83; su — предельное значение совместной деформации основания здания и сооружения в соответствии со СНиПом.

Для построения эпюры распределения напряжений под подошвой фундамента используется решение теории упругости для жесткого штампа. Если модуль общей деформации слабого грунта отличается от модуля деформации песчаного грунта более чем в 5 раз, следует использовать решение К. Е. Егорова для двухслойного основания.

 

Рис. 2.2. Вертикальные песчаные дрены:

1 — плотный грунт. 2 — насыпь, 3-песчаная подушка.

4 — дрены

 

Размеры песчаной подушки в плане проверяются  путем оценки устойчивости подушки  на действие горизонтальных сил. Устойчивость песчаной подушки определяют путем  сравнения величин активного  давления F% (за счет давления от фундамента и песчаного грунта подушки) и пассивного давления Fk, которое может воспринять слабый слой грунта. Необходимо, чтобы выдерживалось условие:

Ширину подушки  понизу b + 2Со (см. рис. 2.1) определяют из контура, ограниченного изобарами напряжений. Величина Со принимается равной 0,1 ...0,3, но не более 0,5 м.

Согласно теории фильтрационной консолидации, время  уплотнения водонасыщенного глинистого грунта прямо пропорционально квадрату расстояния до дренажной поверхности.

Для сокращения расстояния движения отжимаемой воды из глинистого слоя и, следовательно, уменьшения времени уплотнения грунтов основания принимают вертикальные песчаные дрены.

Их выполняют  на глубину до 20 м на расстоянии 2,5 м друг от друга диаметром 400...600 мм (рис. 2.2). План расположения дрен, их сечение и шаг определяются расчетом из условия 90 % консолидации основания; он зависит от сроков уплотнения строительной площадки. При прорезке дренами уплотняемых грунтов или наличия песчаной подушки консолидация происходит за счет отжатия поровой воды в дрену и дренирующий слой. Диаметр зоны влияния dc в этом случае равен 1,05d (d— шаг дрен).

Вертикальные  дрены объединяются поверху песчаной подушкой толщиной 0,6... 1 м, которая служит горизонтальным дренажем для отвода отжатой поровой воды из вертикальных песчаных дрен. Для отжатия воды в песчаные дрены устраивают пригрузочную насыпь.

Песчаные дрены  выполняют путем погружения с  помощью башенных копров пустотелых цельнотянутых металлических труб диаметром 420...600 мм с самораскрывающимся или железобетонным башмаком, оставляемым в грунте. По мере извлечения труб производят засыпку скважин песком.

Дрены из искусственных  материалов применяют в районах, где отсутствуют песчаные грунты для устройства вертикальных песчаных дрен. Следует учесть и то, что устройство песчаных дрен сопряжено с необходимостью добычи большого объема песка и транспортирования его зачастую на большие расстояния, с устройством складов песка на строительной площадке, многодельными работами по устройству самих дрен и т. д.

Поэтому в ряде случаев применение дрен из искусственных материалов является более экономичным вариантом вместо песчаных дрен.

Картонные дрены изготовляют из непроклеенного трехслойного картона с поперечным сечением 3х100 мм и площадью поперечного сечения проходящих внутренних каналов 3 мм2 (рис. 2.3).

Для предохранения  картонной дрены от разъедания бактериями картон пропитывают раствором солей  мышьяка. Коэффициент фильтрации картонной  дрены из пропитанного картона составляет 10-3...10-1 см/с, что в 100...1000 раз больше коэффициентов фильтрации большинства слабых водонасыщенных глинистых грунтов основания.

Картонные дрены изготовляют  в виде сплошных лент длиной 400 м  с массой 1 м дрены 200 г. Они легко  наматываются на барабаны и могут  доставляться в собранном виде на значительные расстояния. Достоинством картонных дрен является возможность заводского изготовления, долговечность в эксплуатации, высокая   производительность установки в грунтовый массив.

Кроме картонных дрены  могут изготовляться также из пластмассовых, бумажных материалов и  тканей.

Рис. 2.3. Картонные дрены

 

Песчаные  сваи устраивают путем забивки в грунт металлической трубы с закрытым концом с последующим заполнением полости тщательно уплотненным песчаным грунтом. Вокруг ствола сваи образуется уплотненная зона слабого грунта за счет его смещения в окружающую область. При устройстве песчаной сваи диаметром 40...50 см образуется зона уплотненного грунта толщиной до 1,5 м от центра сваи. Поэтому песчаная свая является, по сути, песчаной дреной, но с уплотненной вокруг нее зоной местного грунта. Для ускорения консолидации слабого грунта с песчаными сваями нет необходимости устраивать пригру-зочную насыпь. За счет забивки металлической трубы в уплотненной зоне возникают большие напряжения (до 0,8 МПа), которые воспринимаются поровой водой. Это обусловливает в ней избыточное давление, и вода отжимается в песчаную сваю.

После устройства основания  с песчаными сваями внешняя нагрузка, передаваемая фундаментом, воспринимается песчаными сваями и уплотненным  окружающим грунтом. Устройство вертикальных песчаных сваи позволяет увеличить модуль общей деформации слабого водонасыщенного глинистого грунта (рис. 2.4).

Песчаные сваи устраивают так же, как и песчаные дрены, с той лишь разницей, что  у свай песчаный грунт тщательно уплотняют. Для этого после устройства песчаной сваи и извлечения металлической трубы с самораскрывающимся башмаком трубу вновь погружают в тело устроенной сваи. Считается нормальным, если труба при повторном погружении опускается до глубины, равной 0,8 длины песчаной сваи. Далее снова засыпают песок и снова уплотняют. В конечном итоге при диаметре песчаных свай 40...50 см до уплотнения образуется песчаная свая диаметром 60...70 см после уплотнения. Такой способ устройства гарантирует сплошность песчаной сваи по всей ее длине.

После устройства песчаных свай над ними выполняют  песчаную подушку толщиной 50 см.

Для заполнения свай лучше использовать песок средней  крупности или крупный с содержанием  пылеватых и глинистых частиц не более 10 % (глинистых — не более 3 %).

Известковые сваи устраивают для уплотнения слабых водонасыщенных глинистых грунтов. Для этого в толще слабых грунтов устраивают скважины диаметром 32...50 см. Скважины чаще проходят с обсадными трубами для сохранения вертикальности откосов. В грунтах, где вертикальность откоса обеспечивается окружающим грунтом, проходка скважин осуществляется без обсадных труб.

Скважины заполняют  негашеной комовой известью таким  образом, чтобы внутри трубы толщина  слоя извести оставалась не менее 1 м. Далее в трубу опускается трамбовка массой 300...400 кг и производится уплотнение извести. При таком способе происходит многоразовое уплотнение слабого грунта. Вначале грунт уплотняется при погружении обсадной трубы, затем — после трамбования извести. И наконец, при взаимодействии негашеной комовой извести с поровой водой происходит ее гашение, что приводит к увеличению диаметра известковой сваи на 60...80 % и дополнительному уплотнению слабого водонасыщенного глинистого грунта. Так как гашение извести сопровождается выделением большого количества тепла, то под воздействием высокой температуры (300 °С) теряется большое количество поровой воды, и влажность окружающего грунта уменьшается. При этом прочностные и деформационные характеристики водонасыщенных слабых грунтов улучшаются. Так как, степень влажности окружающего грунта уменьшается, то при ее значении, равном 0,7, можно уплотнять грунты тяжелыми трамбовками. Обычно над слоем уплотненного слабого грунта отсыпают слой из местного грунта толщиной 1,5...3,0 м и уплотняют тяжелыми трамбовками. Следует иметь в виду, что для изготовления известковых свай необходимо применять известь с активностью более 75 %.

 

 

Рис. 2.4. График изменения

осадки s от нагрузки р:

1 — уплотненный грунт, 2 — неуплотненный грунт

 

Дренирующие прорези выполняют при устройстве сооружений большой площади на слое водонасыщенных слабых глинистых грунтов толщиной до 7 м. Они оказываются более экономичными вместо многочисленных вертикальных песчаных дрен.

Дренирующие прорези  выполняют при устройстве сооружений большой площади на слое водонасыщенных слабых глинистых грунтов толщиной до 7 м. Они оказываются более экономичными  вместо многочисленных вертикальных песчаных дрен.

Вертикальные  дренирующие прорези устраивают в виде траншей шириной 60...80 см и  глубиной до 5,5 м (рис. 2.5). Траншеи полностью заполняются песком, над прорезями отсыпается горизонтальная песчаная подушка. Устройство вертикальных дренажных прорезей стало возможно в связи с применением в СССР и за рубежом цепных (глубина отрывки траншеи составляет 7,5 м) и роторных экскаваторов (глубина отрывки 3,5 м).

Открытые траншеи  засыпаются песком или песчано-гравийной  смесью различными механизмами —  бульдозерами, авто- или тракторопогрузчиками, самосвалами. Наиболее эффективными являются одноковшовые тракторные автопогрузчики.

Рис. 7.5. Вертикальные дренажные прорези: 1 — песчаная подушка; 2 — дренажные прорези

 

Сплошные дренажные  прорези требуют значительно  большего количества песка, чем вертикальные песчаные дрены. Поэтому они устраиваются в тех районах, где дренирующий грунт (песок, песчано-гравийные смеси) является местным материалом и имеет низкую стоимость. С учетом накопленного опыта можно рекомендовать применение вертикального сплошного дренажа при толщине слоя слабого водонасыщенного грунта не более 6 м или когда активная зона основания находится в пределах 6 м.

Свайные фундаменты при строительстве зданий и сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах применяются в основном при сравнительно небольшой толщине слабых грунтов (до 12 м) подстилаемыми малосжимаемыми прочными грунтами. В этом случае сваи полностью прорезают слабые грунты и опираются на прочные грунты. Такой вариант устройства свайных фундаментов позволяет уменьшить осадку проектируемого здания или сооружения. Если ставится задача увеличивать устойчивость сооружения, то сваи могут не прорезать всю толщу слабых водонасыщенных глинистых грунтов.

Расчет свайных  фундаментов, в том числе и  их осадок, определяется общепринятой методикой, т. е. по СНиП 2.02.03—85. Однако угол распространения давления, который принимается равным 1/4 угла внутреннего трения грунта, в данном случае определяется по методике быстрого сдвига, т. е. сдвиг образцов слабых грунтов производится в течение 5...6 мин без предварительного обжатия образцов.

Следует учесть эффект «засасывания» свай в слабых водонасыщенных грунтах.

При забивке  свай в такие грунты происходит перемещение грунта вокруг сваи на расстоянии 1...2 диаметра, что сопровождается возникновением в скелете грунта напряжения и порогового давления. В этот момент несущая способность свай резко снижается. В течение определенного времени напряжения в скелете грунта снижаются, и поровое давление уменьшается до нуля. Основная доля несущей способности свай будет достигнута именно в этот момент, когда поровое давление в окружающем сваю грунте упадет до нуля. В настоящее время считается, что несущая способность сваи в слабых глинистых грунтах достигается через 6 суток после ее забивки. Эту рекомендацию следует считать весьма условной, требуется дополнительное исследование в этой области, особенно при проектировании здании и сооружений на слабых грунтах в сейсмических районах.

Несущую способность  свай в слабых водонасыщенных глинистых  грунтах следует определять в  соответствии с рекомендациями СНиП 2.02.03—85.

При этом необходимо учитывать явление отрицательного трения, возникающее в процессе эксплуатации зданий и сооружений.

Сущность отрицательного трения заключается в том, что  в процессе осадки окружающей грунтовой  среды по боковой поверхности  свай возникает отрицательное трение, которое погружает сваю в толщу слабого водонасыщенного глинистого грунта. Опытные исследования свидетельствуют о том, что величина негативного трения очень велика и может превышать 400... 500 кН.

В городских  условиях отрицательное трение может  возникнуть при дийамическом воздействии на слабый грунт тяжелого транспорта, оборудования предприятий. Намыв песка и подсыпка грунта при проведении планировочных работ, склады сыпучих материалов и другие длительные нагрузки приводят также к сжатию толщ водонасыщенных глинистых грунтов, развитию осадок и возникновению отрицательного трения.

Величина отрицательного трения зависит от времени и последовательности приложения нагрузок на толщу слабого  грунта. Если пригрузка действует  давно и процессы консолидации в  слабых грунтах прекратились, отрицательное трение будет осутствовать.

Для уменьшения величины отрицательного трения применяют  специальные обмазки (например, битумное покрытие), способы уменьшения прилипания слабого грунта к боковой поверхности сван (электроосмос) и др.

Экспериментальное определение несущей способности  свай статическими нагрузками в слабых грунтах производится в более  длительное время, чем в обычных  грунтах. Каждая ступень нагрузки выдерживается  не менее 24 ч.