Фундаменты на лессовых просадочных грунтах

Просадочные (лессовые) грунты имеют специфические особенности, отличающие их от других видов грунтов. Находясь под давлением от внеш­ней нагрузки или от собственного веса грунта, при повышении влажности выше определенного уровня такие грунты имеют спо­собность давать быстроразвивающие деформации, называемые просадками. Грунты с относительной просадочной деформацией e_sl < 0,01 считаются непросадочными.

Рис s(p)

Влажность лессовых просадочных грунтов может увеличи­ваться сверху (при замачивание из внешних источников) или снизу (при подъеме уровня грунтовых вод).

За расчетные состояния просадочных грунтов по влажности принимается их полное водонасыщение (S_r >= 0,8) при возможно­сти их замачивания или установившееся значение влажности при невозможности замачивания (теоретически).

Основными характеристиками лессовых просадочных грун­тов являются:

1. Относительная просадочность e_sl, представ­ляющая собой относительное сжатие грунтов при заданном дав­лении после их замачивания. Относительная просадочность имеет разные значения по глубине основания и в разных диапазонах давлений. Ее значение определяется по ре­зультатам испытания образцов грунтов без возможности боко­вого расширения по формуле

e_sl = (h_пр — h _sat,p) / h_ng,

Где hпр, h sat,p — высота образца соответственно при природной влажности и после полного насыщения водой при суммарном давлении р, равном напряжению от внешней нагрузки на рас­сматриваемой глубине и напряжению от собственного веса грунта p = σ_zp + σ_zg

h_ng — высота образца при природной влажности и природном давлении р = σ_zg.

Относительная просадочность e_sl может определяться по результатам полевых испытаний грунтов статическими нагрузками с искусственным замачиванием. Лессовый грунт считает просадочным, если относительная просадочность >= 0,01.

2. Начальным просадочным давлением p_sl называется минимальное давление, при котором про являются просадочные свойства лессовых пород при их полном
водонасыщении. Начальное просадочное давление принимается равным:

а) при испытании лессовых просадочных грунтов в компрессионных приборах — давлению, при котором относительная просадочность =0,01;

б) при испытании в полевых условиях водонасыщенных лессовых грунтов — давлению на пределе пропорциональности графиков «нагрузка — осадка»;

в) при проведении опытов путем замачивания котлованов — давлению от собственного веса грунта на глубине, с которой начинается просадка от собственного веса грунта.

3. Начальной просадочной влажностью w_sl - минимальной влажностью, при которой лессовый грунт проявля­ет просадочные свойства.

В зависимости от возможности проявления просадки от соб­ственного веса все грунтовые условия площадок подразделяются на два типа: I тип — такие грунтовые условия, когда просадка возможна в основном от действия внешней нагрузки и просадка от собственного веса отсутствует или не превышает 5 см; II тип -грунтовые условия, при которых возможна просадка как от внешней нагрузки, так и от собственного веса грунта и ее значе­ние превышает 5 см.

При замачивании грунтов сверху происходит просадка в пре­делах части или реже всей просадочной толщи (ширина замачи­ваемой площади b_w меньше мощности просадочной толщи H_sl, b_w < H_sl) и полная просадка в пределах всей просадочной толщи как от внешней нагрузки, так и собственного веса грунта (b_w > H_sl).

Расчет оснований зданий и сооруженийна лессовых просадочных грунтах производится, как правило, по второй группе предельных состояний.

Расчетное сопротивление просадочных грунтов определяется в зависимости от возможности замачивания грун­тов, вида источника замачивания, проектируемых методов обес­печения устойчивости зданий и сооружений, размеров фунда­ментов и прочностных характеристик грунтов основания.

При возможном замачивании лессовых просадочных грунтов расчетное сопротивление грунтов основания R принимается равным:

начальному просадочному давлению p_sl, при этом устра­няется возможность просадки грунтов от внешней нагрузки за счет снижения давления под подошвой фундамента;

рассчитанной по формуле для обычных грунтов с использова­нием значений прочностных характеристик грунтов с₁₁ и ф₁₁ определенных в условиях полного замачивания.

В случае проектирования фун­даментов на уплотненных или закрепленных основаниях расчет­ное сопротивление определяется с применением с₁₁ и ф₁₁ уплотненных или закрепленных просадочных грунтов в водонасыщенном состоянии.

Для расчета предварительных размеров фундаментов на просадочных грунтах используются расчетные сопротивления R₀, принимаемые по таблице СНиП 2.02.01—83.

Значение R₀ можно использовать при назначении окончательных размеров фундаментов зданий и сооружений III класса, если в них не предусматривается мокрый технологический про­цесс.

Если устраняются просадочные свойства лессовых грунтов их уплотнением или закреплением, то необходимо, чтобы полное давление на кровлю подстилающего неуплотненного или не­закрепленного слоя не превышало начального просадочного давления этого слоя, т. е.

σ_zp + σ_zg ≤ p_sl

Деформации оснований зданий и сооруже­ний на лессовых просадочных грунтах определяются сумми­рованием осадок и просадок:

S + Ssl ≤ Su

где S — совместная деформация основания, определяемая без учета просадочных свойств грунтов, исходя из деформационных характеристик природной или установившейся влажности; S_sl — деформация основания, определяемая просадкой лессового просадочного грунта; садочного грунта; Su — предельная совместная деформация осно­вания и сооружения, устанавливаемая СНиП 2.02.01—83.

Просадку основания из просадочных грунтов при замачи­вании их сверху на больших площадях или снизу при подъеме уровня подземных вод определяют по формуле:

Ssl = Σ e_{sl i} h_i k_{sl i}, i = 1..n

Где e_{sl i} — относительная просадочность i-го слоя грунта при сум­марном давлении, равном вертикальному напряжению на рас­сматриваемой глубине от внешней нагрузки и собственного веса грунта; hi — толщина i-го слоя грунта; k_{sl i} — коэффициент:

а) при b >= 12 м = 1 в пределах зоны просадки для всех слоев грунта;

б) при 6<=3 — рассчитывается по формуле

k_sl = 0,5 + 1,5(р – р_{sl i} ) / ро,

(р — среднее давление под подошвой фундамента, кПа; р_sl — начальное просадочное давление /-го слоя, кПа; ро — давление, равное 100 кПа);

в) при Зм<b<12м k_sl определяется по интерполяции между значениями при b = 3м и b = 12м.

При расчете просадки по формуле Ssl = Σ … рассматриваются только те слои грунта, у которых значение относительной просадочности при фактическом напряжении e_sl >= 0,01. Если в пределах зоны деформации имеются слои грунта с e_sl < 0,01, то они исключаются из расчета. Суммирование просадки по формуле производится в пределах зоны просадки Hsl.

Толщина зоны просадки принимается равной:

а) Нsl = Нsl,p, т.е. толщине верхней зоны просадочной толщи при определении просадки от внешней нагрузки; нижняя граница зоны определяется глубиной, где соблюдается условие σ_z = σ_zp + σ_zg = р_sl, или глубиной, где значение σ_z имеет минимальное значение σ_{z min} > p_sl;

б) Нsl = Нsl,g, т. е. толщине нижней зоны просадки при опреде­лении просадки от собственного веса грунта s_sl,g, начиная с глу­бины Z, где σ_z > p_sl или величина σ_z имеет минимальное значе­ние σ_{z min} > p_sl.

а — просадка грунта от собственного веса; б — верхняя и нижняя зоны просадки не сливаются, имеется нейтральная зона h_n; в — верхняя и нижняя зоны просадки сливаются; г — просадка от внешней нагрузки отсутствует; 1 — вертикальные напря­жения от собственного веса грунта σ_zg; 2 — суммарные вертикальные напряжения от внешней нагрузки и собственного веса σ_z = σ_zp + σ_zg; 3 – изменение с глубиной начального просадочного давления p_sl.

Проектирование оснований, сложенных лессовыми просадочными грунтами, в случае их возможного замачивания должно осуществляться с применением мероприятий, исключающих или снижающих просадки оснований до допустимых значений и уменьшающих их влияние на эксплуатационную пригодность зданий и сооружений. При этом следует предусматривать одно из следующих мероприятий:

устранение просадочных свойств лессовых грунтов в пре­делах всей просадочной толщи;

прорезку просадочных грунтов глубокими фундаментами всех видов, в том числе свайными и массивами из закрепленного грунта;

комплекс водозащитных и конструктивных мероприятий, а также предусматривающих частичное устранение просадочных свойств грунтов.

Назначение этих мероприятий определяется типом грунтовых условий по просадочности, видом замачивания, расчетной просадкой, взаимосвязью проекти­руемых сооружений с соседними объектами и коммуникациями.

В грунтовых условиях I типа устранение просадочных свойств допускается выполнять только в пределах верхней зоны просадки, но не менее 2/3 ее высоты. При этом конструкции сооружения должны быть рассчитаны на воз­можные деформации здания и сооружения, а величины проса­док и их неравномерность не должны превышать 50 % пре­дельных значений, рекомендуе­мых СНиПом.

Устранение просадочных свойств лессовых грунтов дости­гается применением следующих Способов:

в пределах верхней зоны просадки — уплотнением грунтов
тяжелыми трамбовками, устрой­ством подушек, вытрамбовыва­нием котлованов, закреплением грунтов химическим или терми­ческим методом;

на всю глубину просадочной толщи — глубинным уплот­нением грунтовыми сваями, предварительным замачиванием лес­совых грунтов основания, в том числе и применением глубинных
взрывов, термическим и химическим закреплением грунтов.

При проектировании глубоких фундаментов в грунтовых усло­виях II типа — негативное трение, которое имеет место при просадке грунтов от собственного веса.

На площадках со II типом грунтовых условий по просадочности необходимо применять полный комплекс мероприятий, включающий водозащитные и конструктивные мероприятия, а также уплотнение лессовых просадочных грунтов в пределах деформируемой зоны.

В грунтовых условиях I типа водозащитные и конструктивные мероприятия предусматриваются в том случае, когда просадочные свойства грунтов не могут быть устранены в пределах дефор­мируемой зоны, неэффективна или не может быть применена прорезка глубокими фундаментами.

Уплотнение трамбовками лессовых просадочных грунтов применяется в грунтовых условиях I типа — для устра­нения просадочных свойств только в основании фундаментов, I типа — то же, а также для создания маловодопроницаемого экрана под всем зданием и сооружением.

Уплотнение тяжелыми трамбовками рекомендуется применять при степени влажности лессовых грунтов не более 0,7 и плот­ности сухого грунта не выше 1,55 т/м3, при этом наибольшая эффективность уплотнения достигается при оптимальной влажно­сти w₀. Последняя определяется по результатам опытного уплот­нения или приближенно по формуле

w₀ = w_p – (0.01.. 0.03),

где w_p — влажность на границе раскатывания

На глубину уплотнения h_s существенное влияние оказывают плотность, влажность лессовых грунтов, диаметр и масса трам­бовки, режим уплотнения. Приближенно величину h_s при опти­мальной влажности определяют по формуле h_s = k d,

где к — коэффициент, принимаемый по результатам экспери­ментальных исследований для супесей и суглинков равным 1,8, для глин— 1,5; d — диаметр основания трамбовки.

При разработке проекта уплотнения лессового грунта тяже­лыми трамбовками необходимо указывать размер уплотняемой площади в плане, глубину уплотнения, величину недобора грун­та, диаметр и массу трамбовки, проектируемую плотность на нижней границе уплотняемой зоны, оптимальную влажность грунта и объем воды для его увлажнения, расчётное сопротив­ление уплотненного грунта.

В целях создания в основании маловодопроницаемого экрана следует принимать размеры уплотняемой толщи на 1 м больше размеров здания по наружным граням фундамента в каждую сторону. Ширину b_s и длину l_s уплотняемой площади прини­мают

b_s = b + 0.5 (b-d) l_s = b + 0.5 (l-d)

где b и l — соответственно ширина и длина фундамента; d — диаметр трамбовки.

Величина средней плотности сухого грунта в уплотненном слое должна быть не менее 1,65... 1,70 т/м3, на нижней границе уплотненной зоны — 1,6 т/м3.

Величину понижения трамбуемой поверхности (величину недобора грунта) определяют по формуле

Δh = 1.2 h_s (1-ρ_d / ρ_d,s),

где h_s — толщина уплотненного слоя, м; ρ_d — средняя плотность сухого грунта до уплотнения, т/м3; ρ_d,s — средняя плотность сухого грунта уплотненного слоя, т/м3.

При проектировании массы трамбовки необходимо исходить из статического давления ее на грунт не менее 15 кПа.

Осадка основания из уплотненных лессовых грунтов опреде­ляется по схеме двухслойного основания — уплотненного и под­стилающего природного сложения грунта. Модуль общей деформации этих слоев должен определяться, как правило, по резуль­татам испытания статической нагрузкой. При отсутствии опыт­ных данных допускается принимать модули деформации для уплотненных лессовых грунтов по таблицам приближенных значений.

Грунтовые подушки применяют для создания в осно­вании фундаментов уплотненного слоя грунтов большей толщи­ны, чем это возможно при уплотнении тяжелыми трамбовками и степени влажности просадочных грунтов Sr > 0,7.

При проектировании грунтовых подушек должны быть ука­заны толщина и размеры подушек, схема планировки котлована, применяемые для уплотнения виды грунтов, значения оптималь­ной влажности, требуемая плотность грунтов, толщины уплотняе­мых слоев, тип механизмов для уплотнения грунтов и количество проходок, расчетное сопротивление уплотненного слоя лессо­вого грунта.

Толщину грунтовой подушки назначают из условия ликвида­ции просадочных свойств лессовых грунтов в пределах всего просадочного слоя. Если просадочные свойства устраняются в пре­делах деформируемой зоны, толщину подушки определяют рас­четом по деформации.

В плане размеры грунтовых подушек назначаются с таким расчетом, чтобы они выступали за наружные грани фундаментов на 1 м. Ширину подушки bs и ее длину ls понизу определяют по формуле: bs = b (1+2 k_h) ls = l + 2 b k_h,

где b и l — ширина и длина фундамента здания; k_h — коэффи­циент учета распределения горизонтальных деформаций в осно­вании фундаментов при просадке и равный 0,3 при р = 150... 200 кПа, = 0,35 при р = 250...300 кПа, = 0,4 при р = 350...400 кПа.

Плотность сухого грунта грунтовой подушки должна быть не менее 1,6 т/м3 при устранении просадочных свойств; 1,7 т/м3 для создания сплошного водонепроницаемого экрана. Для возведе­ния подушек применяются лессовые глины и суглинки как обес­печивающие наибольшую водонепроницаемость. В грунтовых Условиях I типа по просадочности для устройства грунтовых подушек можно применять дренирующие материалы - песок, щебень и др. Подушки следует возводить из однородных грунтов оптимальной влажности.

Уплотнение грунтовыми сваями лессовых просадочных грунтов на всю толщу заключается в пробивке скважин для создания вокруг них уплотненной зоны с последующим заполнением пылевато-глинистым грунтов. Этот способ позво­ляет устранить просадочные свойства на всю глу­бину просадочной толщи, создать водонепрони­цаемый кран и противофильтрационные завесы из уплотненного грунта.

Уплотнение грунтовы­ми сваями рекомендуется применять при мощности просадочного слоя от 10 до 24 м, влажно­сти, близкой к оптималь­ной, степени влажности Sr<0,75 и отсутствии сло­ев из пылевато-глинистых грунтов, песков, переув­лажненных грунтов.

Размеры уплотняемого котлована должны превы­шать на 3 м в каждую сто­рону контура уплотняемой площади. После частичной срезки буферного слоя его доуплотняют на глубину 1,5 м тяжелыми трамбовками. Толщина буферного слоя h_b принимается h_b = k_b d,

где k_b — коэффициент пропорциональности, принимаемый рав­ным для супесей — 4, суглинков — 5 и глин — 6; d — диаметр грунтовых свай, м.

В пределах уплотняемой площади грунтовые сваи располага­ются в шахматном порядке. Расстояние между осями грунтовых свай определяют в зависимости от диаметра грунтовых свай, плотности сухого грунта.

На площадках с I типом по просадочности уплотнение грунтовыми сваями производят в пре­делах деформируемой зоны, со П типом — на всю величину просадочной толщи. Предварительное за­мачивание лессовых просадочных грунтов выполняется для их уплотнения. Уплотняются ниж­ние слои просадочной толщи, где напряжение от собственного веса превышает начальное просадочное давление. При этом верхние слои остаются недоуплотненными, по­этому предварительное замачива­ние обусловливает перевод толщи лессовых грунтов II типа в I тип грунтовых условий по просадочности. Зама­чивание производится до дости­жения полной стабилизации просадок от собственного веса грун­тов, что требует 1...3 месяцев. Для уменьшения сроков замачи­вания грунтов, особенно при залегании с поверхности суглинков и глин, пробуривают скважины.

Дата добавления: 2014-01-11