Причины возникновения неравномерных осадок

На возникновение неравномерных осадок оказывает влияние целый ряд причин. Суммарную осадку любого здания или сооружения в общем случае можно представить в виде суммы из пяти слагаемых:

S=S_упл+S_разупл.+S_вып+S_расстр+S_экспл

где S_упл — осадка, происходящая в результате уплотнения грунтов вследствие образования упругих и остаточных деформаций, сопровождающаяся уменьшением пористости грунта после загружения самого фундамента, а также соседних фундаментов или площадей поверхности основания; S_разупл.— осадка, образующаяся вследствие разуплотнения верхних слоев грунта, залегающих у дна котлована в результате уменьшения интенсивности напряженного состояния грунта из-за его разработки; S_вып — осадка выпирания, происходящая в результате выдавливания грунта из-под подошвы фундамента при развитии зон пластических деформаций; S_расстр — осадка расструктуривания, возникающая вследствие нарушения природной структуры грунтов во время производства строительных работ, выражающаяся в увеличении сжимаемости; S_экспл - осадка, образующаяся в период эксплуатации зданий и сооружений в результате просадки, набухания или изменения напряженнодеформированного состояния грунтов основания в результате последующего возведения зданий.

1. Неравномерные осадки уплотнения. При действии дополнительных напряжений, передаваемых на основание через фундаменты, грунт деформируется при условии, если данные напряжения превышают напряжения от собственного веса грунта. Деформации грунта в основном развиваются за счет уменьшения объема пор грунта, происходящего в результате уплотнения.

Как уже отмечалось ранее, остаточные деформации значительно больше упругих, поэтому осадки основания, происходящие под действием внешних нагрузок, обычно называют осадками уплотнения. Осадки уплотнения в отдельных зонах основания под сооружением, как правило, неодинаковы (неравномерны) из-за неоднородности грунтовых условий и неоднородности напряженного состояния з основании.

Неоднородность основания обусловливается следующими факторами: наличием выклинивающихся слоев (рис. 3.2, а); линзообразным залеганием отдельных слоев грунта (рис. 3.2, б); различной толщиной пластов (рис. 3.2, в); неодинаковой плотностью сложения f грунтов (рис. 3.2, г); передачей давления от различных по массе частей сооружения на разные по своим физико-механическим свойствам грунты оснований (рис. 3.2, д); неодинаковой уплотняемостью грунтов во времени, обусловливаемой различной скоростью протекания процессов консолидации и ползучести под различными остями сооружения (рис. 3.2, е).

Рис. 3.2. Причины образования неравномерных осадок уплотнения:

1— нагрузка на фундамент; 2 — осадка медленно деформирующегося основания; 3 –осадка быстро деформирующегося (песчаного) основания; 4 — эпюры распределения вертикальных напряжений; 5 — границы напряженных зон основаная; 6 — осадка первого фундамента во времени; 7 — нагрузка на второй фундамент; 8 — осадка второго фундамента во времени

Неоднородность напряженного состояния грунтов в основании образуется в силу нижеследующих причин: неравномерной загрузкой фундаментов, в связи с чем более нагруженный фундамент находится делать с большими размерами подошвы, что приводит различному напряженно-деформированному состоянию в основаниях различной осадке фундаментов (рис. 3.2, ж); влиянием загрузки соседних фундаментов, т. е. большее воздействие от взаимного влияния испытывают фундаменты, расположенные в средней части сооружения, и меньшее — в крайней или угловой его части (рис. 3.2, з); неодновременной загрузкой соседних фундаментов в процессе строительства и эксплуатации (рис. 3.2, и).

Возникновение неравномерных осадок в процессе строительства обусловливается различным весом конструкций, передающих нагрузку на фундаменты, и зависит от методов возведения и монтажа. Например, осадки колонн при строительстве зданий с неполным каркасом обычно отстают от осадок несущих стен, так как последние получают большую нагрузку во время возведения, а колонны получают большую часть загрузки только после монтажа перекры­тий, стеновых панелей, перегородок и установки оборудования. Неравномерность осадки, проявляющаяся в процессе возведения зданий, может быть ликвидирована в процессе эксплуатации за счет выравнивания осадок.

2. Неравномерные осадки разуплотнения. Они развиваются, когда нагрузки от веса здания или сооружения меньше веса грунта, извлеченного при разработке котлована. Это объясняется тем, что при удалении грунта при отрывке котлована происходит разуплотнение грунтов под его поверхностью в результате снятия действовавших ранее напряжений от собственного веса грунта (разбухание грунта при разгрузке). При глубоких котлованах оказывают влияние и остаточные пластические деформации от давления грунта, располо­женного вокруг дна котлована. На развитии разуплотнения грунта сказывается воздействие и деформации упругого последействия.

Рис. 3.3. Поднятие дна котлована в результате разуплотнения грунта.

Наличие этих факторов приводит к поднятию дна котлована (рис. 3.3) с последующим развитием неравно­мерных осадок, происходящих в результате более существенного разуплотнения грунта в центре котлована, чем по краям; различного протекания во времени процесса разуплотнения под отдельными фундаментами; неравномерного поднятия дна котлована в результате неоднородности грунтов основания.

При возведении городских зданий и сооружений глубина котлована редко превышает 5 м, а из практики строительства известно, что в этом случае осадки разуплотнения незначительны и происходят в основном в процессе устройства фундаментов до возведения надземных конструкций. Осадки разуплотнения могут оказать вредное влияние на здание, если глубина разрабатываемого для него котлована превышает 5 м, а нагрузка от веса сооружения вместе с обратной засыпкой значительно меньше грунта, извлеченного из котлована.

Для определения способности грунта испытывать осадки разуплотнения образцы грунта испытывают не только на сжатие, но и на Рис. 3.3. Поднятие дна котлована в результате разуплотнения грунта разуплотнение при уменьшении давления. Осадки разуплотнения определяются методами механика грунтов.

3. Осадка выпирания. В результате развития зон пластических деформаций в грунтах оснований под подошвами фундаментов происходят осадки выпирания. В результате неравномерного распределения давления под подошвой фундамента даже при небольших нагрузках под его краями образуются зоны, пластических деформаций. Увеличение нагрузки вызывает перераспределение контактных давлений по подошве фундамента, которое объясняется большей податливостью грунта в зонах пластического деформирования, вследствие чего давление в этих зонах уменьшается, а в средней части фундамента ввиду меньшей податливости грунта увеличивается. При дальнейшем росте внешней нагрузки зоны пластических деформаций увеличиваются и возникает опасность выпирания грунта, из-под подошвы.

4.Неравномерные осадки расструктуривания. При проведении предварительных мероприятий, предшествующих возведению фундаментов (отрывка котлованов и др.), грунты оснований, обнажаясь, подвергаются воздействию различных факторов, которые могут вызвать нарушение природной структуры грунтов.

Осадки, происходящие за счет расструктуривания грунтов, как правило, неравномерны, так как расструктуривание происходит с разной степенью интенсивности в различных зонах основания, Осадка зависит от многих факторов: способа вьшолнения котлованных работ, продолжительности работ с начала разработки котлована до обратной засыпки пазух фундаментов, характера водоотлива, а также мероприятий, направленных на сохранение природной структуры грунта. Нарушение структуры обычно происходит в результате следующих причин: метеорологических воздействий, динамических воздействий механизмов; неблагоприятного влияния, оказываемого подземными водами и газом; грубых ошибок строителей.

Метеорологические воздействия вызывают нарушение природной структуры грунтов в результате промерзания или оттаивани, размягчения и набухания, высыхания и усадки.

При воздействии отрицательных температур грунты оснований способны промерзать на глубину, которая определяется по данным строительных норм и правил. При промерзании возможно существенное увеличение объема сильно увлажненных пылеватоглинистых и насыщенных водой пылеватых и мелких песчаных грунтов в результате развития сил морозного сучения. При пучении в основаниях фундаментов развиваются значительные внутренние напряжения, которые в отдельных случаях могут превысить напряжения от внешней нагрузки под подошвой фундаментов зданий и сооружений и привести к значительным вертикальным деформациям (рис. 3.4, а). Пучение может оказывать неблагоприятное влияние не только в период отрывки котлована и устройства фундаментов, но и в процессе возведения здания и его последующей эксплуатации. Избежать вредного влияния сил морозного пучения полностью не удается, даже если подошву фундамента устраивать вне зоны промерзания, поскольку в данном случае по оси 2 поверхности фундамента развиваются касательные силы морозного пучения (рис. 3.4, 6). При наличии отапливаемого подвала в результате развития бокового промерзания грунта возможны горизонтальное смещение и крен фундамента (рис. 3.4, в).

Рис. 3.4. Силы морозного пучения, действующие на фундамент: 1 — граница зоны промерзания; 2 — нормальные силы пучения; 3 — касательные силы пучение

Для уменьшения негативного влияния сил пучения осуществляют покрытие боковых поверхностей фундаментов битумом, растворенным в мазуте или соляровом масле, и обратную засыпку пазух непучинистоопасными материалами (обычно используют песок).

В случае оттаивания мерзлого грунта он способен испытывать просадку, которая может быть еще более опасной для зданий и сооружений. Процесс оттаивания грунта протекает неравномерно, с южной стороны здания оттаивание происходит более интенсивно, чем с северной, более быстро оттаивают участки основания под внешними частями здания и медленнее под внутренними. Так как оттаивание сопровождается резким нарушением структуры, то грунт приобретает большую сжимаемость, поэтому не допускается промораживание грунтов ниже дна котлована, даже если грунт предварительно оттаивают перед устройством, фундаментов.

Размягчение и набухание грунтов происходят при увлажнении некоторых типов пылевато-глинистых грунтов, находящихся ниже дна котлована, в результате воздействия атмосферных осадков (рис. 3.5, а). Этот процесс особенно интенсивно протекает в супесях, пылеватых суглинках, слоистых и трещиноватых глинах. Способность испытывать деформации набухания возрастает при увеличении глинистости. В наибольшей степени подвержены размягчению глинистые грунты, имеющие поры, заполненные воздухом и сообщающиеся с атмосферой. В результате набухания и размягчения ухудшаются физико-механические свойства грунтов, что сопровождается неравномерными осадками. Для сохранения природной структуры грунтов в данном случае прибегают к искусственному отводу поверхностных вод от зоны строительства, а нижний слой грунта, подлежащий разработке, оставляют в качестве защитного и удаляют его из котлована только непосредственно перед устройством фундаментов.

Рис. 3.5. Нарушение структуры грунта при метеорологических воздействиях:

/ — атмосферная влага; 2 — зона размягчения и усадки; В. SW — нижняя отмена зоны набухания, B.SH — то же, усадки

В некоторых районах, имеющих жаркий климат, пылевато-глинистые грунты, залегающие ниже дна котлована, под действием интенсивного процесса высыхания в результате солнечной инсоляции способны уменьшаться в объеме, испытывая усадку (рис. 3.5, б). При восстановлении первоначальной влажности грунт, подвергшийся усадке, будет испытывать набухание, вызывая поднятие фундаментов.

Неблагоприятные воздействия подземных вод и газа нарушают структуру грунта в результате влияния гидростатического давления от веса столба воды, гидродинамического давления от ее движения, механической и химической суффозии, фильтрационного выпора, расширения и выделения растворенного в воде газа.

Деформации и даже разрушение оставшегося в котловане слоя водонепроницаемого грунта происходят, когда гидростатическое давление в водопроницаемом слое подстилающего грунта превысит напряжения от оставшейся в котловане части слоя водонепроницаемого грунта (рис. 3.6, а). Это явление особенно интенсивно протекает при слоистой текстуре грунтов, когда водопроницаемость вдоль слоистости в десятки раз больше, чем поперек (рис. 3.6, б). Для снижения гидростатического давления используют водопонижение.

При движении воды через водопроницаемый слой грунта образуется гидродинамическое давление (рис. 3.6, в), обусловленное силой гидравлического воздействия фильтрационного потока, которое, воздействуя на частицы грунта,,вызывает его набухание. Для уменьшения гидродинамического давления прибегают к водопонижению или устраивают вокруг котлована шпунтовые ограждения, погружаемые до слоёв относительно водонепроницаемых грунтов.

Механической суффозией называют перемещение под действием фильтрационного потока более мелких частиц грунта по порам, образованным более крупными частицами, что приводит к увеличению пористости и водопроницаемости.

Фильтрационный выпор – это движение грунтов вверх под действием фильтрационных сил.

Механическая суффозия и фильтрационный выпор приводят к выносу частиц на поверхность грунта или дно котлована, образуя конусы выноса, диаметром, измеряемым десятками метров, и высотой – десятками сантиметров.

Химической суффозией называют процесс растворения минеральных агрегатов скелета грунта, вызывая в некоторых случаях резкое изменение физико-механических свойств оснований.

При водоотливе в водонасыщенных грунтах снижается гидростатическое давление в поровой воде, вследствие чего объем замкнутых пузырьков газа, имеющихся в воде, увеличивается, одновременно в результате падения давления часть растворенных газов начинает выделяться из воды. Эти факторы вызывают нарушение природной структуры слабофильтрующих грунтов, таких, как илы, супеси и суглинки.

Динамические воздействия механизмов часто вызывают нарушение природной структуры грунтов основания. Этому явлению особенно подвержены насыщенные водой пылеватые пески. Нарушение структуры грунтов возможно в результате использовании при земляных работах ударных механизмов (клин-бабы, трамбовки, сваебойные молоты и др.). Для сохранения природной структуры грунтов их разработка ведётся лёгкими механизмами, передвигающимися по краю котлована, на дне которого часто оставляют защитный слой, удаляемый впоследствии с помощью лёгких землеройных машин.

К наиболее типичным ошибкам строителей, приводящим к нарушению структуры грунтов, относятся: перебор грунта при разработке котлована и его неправильная обратная укладка, отрывка котлованов без их немедленного использования для возведения фундаментов, разработка глубоких котлованов около уже построенных зданий, имеющих меньшую глубину заложения фундаментов, проникновение в котлованы производственных или хозяйственных вод.

Неравномерную осадку, образующуюся в результате расструктуривания грунтов, очень трудно прогнозировать с помощью расчетных методов, поэтому основное требование, выдвигаемое при производстве работ по устройству оснований и фундаментов, заключается в максимальном сохранении природной структуры грунтов основания.

5. Неравномерные осадки, образующиеся в период эксплуатация сооружений. Их можно разделить на пять типов.

- Уплотнение грунтов оснований после начала эксплуатации сооружений. Данное уплотнение происходит в результате продолжения процесса консолидации и деформаций ползучести грунта.

Осадка зданий и сооружений, расположенных на основаниях с преобладанием пылевато-глинистых грунтов, продолжается иногда в течение нескольких десятилетий, имея тенденцию к постепенному затуханию. В песчаных основаниях большая часть осадки происходит в период строительства и в первые месяцы начала эксплуатации. Дополнительные осадки в период эксплуатации зданий следует обязательно учитывать при проектировании сооружений.

При возведении складских сооружений, где полезная нагрузка оказывает основное влияние на функционирование здания, поскольку ее доля может оказаться существенно выше веса самого здания (емкости металлических и железобетонных резервуаров, элеваторы, бункера и др.), в некоторых случаях при пылевато-глинистых основаниях в первый год эксплуатации допускается приложение не более 50% полезной нагрузки. Это ограничивает быстрое нарастание осадки и уменьшает вредное воздействие вследствие резкого развития ее неравномерности.

Изменение уровня подземных вод. Значительное понижение уровне подземных вод в некоторых случаях может оказать вредное воздействие на эксплуатирующееся здание, выражающееся в проявлении неравномерных осадок, обусловленных образованием дополнительных напряжений в грунтах оснований в результате увеличения собственного веса из-за снятия взвешивающего действия воды. Повышение уровня подземных вод может понизить прочность грунтов, так как в результате увлажнения уменьшаются силы сцепления между частицами грунта. Основания, способные испытывать явление набухания, увеличиваясь в объеме при увлажнении, вызванном повышением уровня подземных вод, приведут к дополнительным неравномерным осадкам фундаментов. Лёссовые грунты в результате увлажнения могут получить значительные просадки. Поднятие уровня подземных вод чаще всего происходит в результате проникновения в грунт атмосферной влаги, а также хозяйственных и производственных вод. Повышение уровня подземных вод выше подошвы фундамента может вызвать коррозию арматуры. Это явление становится особенно опасным при возможности образования в воде агрессивной среды. При отсутствии надлежащей гидроизоляции в подвальных помещениях вода, проникая в подвал, требует откачки, которая может вызвать механическую суффозию в грунтах основания.

Неравномерные осадки могут приобрести аварийный характер в результате размыва грунта, вызванного прорывом напорных водопроводных магистралей. В некоторых случаях возможно проникновение подземной воды вместе с грунтом в неисправимые канализационные коллекторы, причем иногда со значительным напором, в результате чего образуется воронка выноса, в пределах которой грунт получает значительные перемещения. Этому явлению особенно подвержены плывунные грунты, поэтому при возведении зданий и сооружений на грунтах подобного типа вблизи напорных трубопроводов и глубоких коллекторов необходимо располагать фундаменты за пределами возможной воронки выноса и размыва грунта. Ослабление, оснований подземными и котлованными выработками. Устройство фундаментов в условиях современной городской застройки осложняется из-за дополнительного ослабления грунтов в результате строительства линий метрополитена при туннельной проходке, сооружения канализационных коллекторов и других подземных выработок, что вызывает оседание грунта вместе с находящимися на его поверхности зданиями и сооружениями в пределах так называемой мульды оседания (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Мульда проседания при подземкой выработке

При разработке глубоких котлованов вблизи уже существующих зданий и сооружений, что часто требуют условия городского строительства, необходимо исключить возможные горизонтальные смещения и подвижки грунтов оснований вместе с ранее построенными зданиями, что достигается с помощью специального крепления стенок траншей и котлованов.

Динамические воздействия на грунты оснований. В процессе эксплуатации зданий вибрация от промышленного или иного оборудования, находящегося внутри здания, может вызвать уплотнение песчаных или малосвязных пылевато-глинистых грунтов. Определенный уровень колебаний способен увеличить деформативность грунтов вследствие проявления процесса виброползучести. Особенно интенсифицирует дополнительную осадку работа кузнечного прессового и штамповочного оборудования, движение транспорта, забивка шпунта, свай и выполнение других строительных работ, связанных с динамическими, в том числе и ударными нагрузками. Оказывают вредное влияние и разработка горных выработок взрывами и сейсмическая активность.

Активность геологических процессов. Развитие карстовых поло­стей оползней и землетрясений вызывает значительные неравномер­ные осадки, влекущие за собой в некоторых случаях полное раз­рушение сооружений. Прогнозирование геологических процессов осуществляется с помощью методов инженерной геологии и изло­жено в соответствующем курсе.

Перечисленные выше факторы усложняют задачу проектирова­ния фундаментов зданий и сооружений при условии выполнения требования равномерности осадок.

Список рекомендуемой литературы

1. Кириллов В.С. Основания и фундаменты. – М.: Высшая школа, 1986.-380 с.

2. Берлинов М.В. Основания и фундаменты. – М.: Высшая школа,1999. – 313 с.

3. СНиП 2.0.2.01-83. Основания зданий и сооружений.

4. Костерин Э.В. Основания и фундаменты. – М.: Высшая школа, 1986. – 453 с.

5. Зурнаджи В.А. Механика грунтов, основания и фундаменты. – М.: Высшая школа, 1987. – 412 с.

Дата добавления: 2014-01-04