КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Тема: Особенности проектирования и устройства фундаментов в региональных условиях
Лекция № 11. Ключевые слова: Свай, сваиные фундаменты, свай-стройки, набивные сваи, буропускные сваи, винтовые сваи. Фундаменты на лёссывых просадочных грунтах. Основной особенностью лёссовых просадочных грунтов является их способность в напряженном состоянии при замачивании давать дополнительные осадки, называемые просадками. С учетом этих особенностей лёссовые просадочные грунты относятся к структурно-неустойчивым. Основными особенностями лёссовых просадочных грунтов являются: макропористость, т. е. видимая невооруженным глазом пористость (общая пористость их, как правило, составляет 45... 50%); незначительная влажность — чаще всего лёссовые просадочные грунты являются маловлажными грунтами со степенью влажности Sr=0,4... 0,5, поэтому помещенный в воду лёссовый грунт быстро размокает, превращаясь в суспензию, состоящую из воды и частиц грунта; зерновой состав — лёссовые просадочные грунты можно отнести к пылеватым супесям и суглинкам (содержание пылеватых частиц составляет 60... 75%); столбчатая отдельность — при естественной влажности лёссовые просадочные грунты хорошо держат вертикальный откос (до 10 м), при увлажнении он обрушается. Просадка лёссовых просадочных грунтов рассматривается как быстро протекающая во времени осадка, сопровождающаяся резким изменением структуры грунтов. При увлажнении таких грунтов происходит размягчение и частичное растворение жестких кристаллизационных связей, проявляется расклинивающее действие пленок воды, резко уменьшается прочность водно-коллоидных связей. Основными критериями просадочных грунтов являются: относительная просадочность esl, начальное просадочное давление psl, начальная просадочная влажность wsl.
Относительная просадочность esl определяется по результатам компрессионных испытаний, в условиях полного водонасыщения грунта (замачивания) и при определенном давлении по формуле esl =(hпр-hsatp)/hпр, (11.1) где hпр — высота образца при природной влажности (w = wsat), обжатого давлением от внешней нагрузки и собственного веса грунта (p=szp+szq) при испытании в условиях невозможности бокового расширения и расчете просадки грунта в верхней зоне; при определении ее в нижней зоне дополнительно учитывается нагрузка от сил негативного трения; hsatp— высота того же образца грунта после пропуска через него воды с сохранением заданного давления; hnq — высота того же образца грунта, обжатого природным давлением при естественной влажности в условиях невозможности бокового расширения. Грунт считается просадочным, если esl³0,01. Начальное просадочное давление рsl; представляет собой минимальное давление, при котором начинает проявляться просадка при полном водонасыщении грунта. Начальное просадочное давление при лабораторном испытании грунта определяется по давлению, при котором относительная просадочность esl=0,01. Для этого строят графики (esl =f(p)) по данным компрессионных испытаний и определяют psl (рис. 11.1). При полевых испытаниях штампами водонасыщенных грунтов psl определяется давлением, равным пределу пропорциональности графиков «нагрузка—осадка». Начальное просадочное давление может определяться на основе опытного замачивания котлована с замером вертикальных перемещений грунтов с помощью глубинных марок. Такой опыт позволяет установить глубину, с которой наблюдается просадка под действием собственного веса. Это давление и будет начальным просадочным давлением. Проведение такого эксперимента позволяет определить тип грунтовых условий по просадочности: I тип — грунтовые условия, в которых возникает, в основном, просадка от внешней нагрузки, а просадка от собственного веса грунта не превышает 5 см; II тип — грунтовые условия, в которых кроме просадки от внешней нагрузки возможна просадка от собственного веса грунта более 5 см.
Тип грунтовых условий можно определить также на основе лабораторных испытаний в компрессионных приборах с замачиванием грунта и последующего расчета просадки от собственного веса по формуле (11.3). Начальная просадочная влажность wsl рассматривается как минимальная влажность, при которой проявляются просадочные свойства грунтов. Проектирование фундаментов производится в два этапа: 1) определение размеров фундаментов из условий расчета по деформациям; 2) назначение мероприятий, исключающих вредное влияние возможных просадок на устойчивость зданий и сооружений. Общая схема определения размеров фундаментов на просадочных грунтах в открытых котлованах не отличается от общепринятой методики расчета фундаментов на обычных грунтах. В то же время определение некоторых расчетных величин имеет свои специфические особенности.
Рис. 11.1. Определение величины начального посадочного давления: а — изменение высоты образца h в условиях компрессионных испытаний; б — изменение величины относительной просадочности
При применении комплекса водозащитных и конструктивных мероприятий расчетное сопротивление определяется по значению углов внутреннего трения и удельного сцепления, определенных в условиях полного водонасыщения грунта. Суммарная вертикальная деформация s складывается из двух величин: s = s0+ssl, (11.2) где s0 — осадка основания фундамента, определяемая как для обычных непросадочных грунтов; ssl — просадка грунта от нагрузки фундаментов и собственного веса грунтов при замачивании, ssl = eslihiksli, (11.3) где esli — относительная просадочность, определяемая для каждого слоя просадочного грунта по формуле (6.1); hi - толщина i-гo слоя грунта; n—число слоев, на которое разбивается зона просадки hsl (рис. 7.2). Она определяется толщиной верхней зоны просадки при расчете просадки от внешней нагрузки или толщине нижней зоны при определении просадки грунта от собственного веса; ksli — коэффициент, равный единице для фундаментов шириной 12 м и более.
При ширине фундамента b£3 м его значение определяется по формуле: ksli =0,5+1,5 , (11.4) где р — среднее давление под подошвой фундамента, кПа; (psli — начальное просадочное давление, МПа; р0 — давление, равное 0,10 МПа. При промежуточных значениях ширины подошвы фундамента (3 м<b<12 м) значение коэффициента ksli определяется по интерполяции. Суммирование просадки по формуле (7.3) производится в пределах просадки зоны. По рекомендациям СНиПа можно определить просадку грунтов при неполном I водонасыщении и замачивании части основания под фундаментом. Эти расчеты имеют сравнительно невысокую точность, поэтому чаще всего просадка основания рассчитывается при полном замачивании грунтов основания.
Рис. 11.2. Некоторые схемы к расчету просадок основания: а — верхняя и нижняя зоны просадки не сливаются и имеется нейтральная зона; б — верхняя и нижняя зоны просадки сливаются; 1 — вертикальные давления от собственного веса грунта; 2 — суммарные вертикальные напряжения от внешней нагрузки и собственного веса грунта; 3 — изменение с глубиной начального просадочного давления.
К основным видам мероприятий, исключающих влияние возможных просадок на эксплуатационную пригодность зданий и сооружений, относятся: уплотнение или закрепление грунтов для устранения просадочных свойств в пределах всей деформируемой зоны или ее части; прорезка фундаментами просадочной толщи грунтов; конструктивные и водозащитные мероприятия как комплекс, обеспечивающий частичное устранение вредного влияния просадочных свойств грунтов. Рассмотрим каждый из указанных видов мероприятий. Устранение просадочных свойств грунтов производится в пределах деформируемой зоны или всей просадочной толщи. В первом случае устранение просадочных свойств выполняется следующими методами: 1) уплотнением грунтов тяжелыми трамбовками толщиной слоя 2... 3 м. Основным показателем, характеризующим степень уплотнения грунта, является удельный вес сухого грунта. Его значение на нижней границе уплотненной зоны должно быть gd³1600 кг/м3. Уплотненный слой одновременно играет роль маловодопроницаемого экрана и тем самым препятствует замачиванию нижележащих толщ просадочного грунта. Кроме того, повышение плотности обусловливает увеличение прочностных характеристик и снижение сжимаемости при последующем водонасыщении; 2) устройством грунтовой подушки — просадочный грунт в пределах всей или части деформируемой зоны заменяется уплотненным глинистым грунтом. Применяется этот метод в тех случаях, когда уплотнение тяжелыми трамбовками невозможно (при степени влажности грунтов более 0,7 требуемая толщина уплотненного слоя более 3... 4 м и т. д.); 3) методом вытрамбовывания котлованов. Основной особенностью фундаментов является устройство их в уплотненном грунте (ниже дна котлована и по боковым стенкам). Уплотнение грунта достигается путем сбрасывания трамбовки с высоты 3... 8 м в одно и то же место. Трамбовка имеет форму будущего фундамента. Вытрамбовывание котлованов осуществляется с помощью кранов-экскаваторов, тракторов с навесным оборудованием, состоящим из направляющей штанги, сборной каретки и трамбовки. Вытрамбованный котлован заполняется враспор монолитным бетоном или в него устанавливается сборный бетонный блок, имеющий размеры трамбовки. После установки блока его забивают до проектного положения. Фундаменты в вытрамбованных котлованах подразделяются на следующие виды в зависимости от способов повышения несущей способности по грунту: 1) без уширенного основания — выполняются без вытрамбовывания в дне котлована жесткого грунтового материала (рис. 11.3); 2) с уширенным основанием — устраивается путем вытрамбовывания в нижнюю часть котлована жесткого грунтового материала в виде щебня или гравия, песчано-гравийной смеси, крупного песка и т. д.; 3) с несущим слоем — выполняется вытрамбовыванием нескольких котлованов (двух—четырех) с заполнением жестким материалом и уплотнением его трамбовкой; между ними вытрамбовывается еще котлован под фундамент с уширенным основанием.
Рис. 11.3. Фундаменты в вытрамбованных котлованах: а — без уширенного основания; б — с уширенным основанием; в — с несущим слоем; 1 — фундамент; 2 — стакан для установки колонны; 3 — уплотненная зона; 4 — втрамбованный жесткий грунтовый материал; 5 — котлованы для создания уширенного основания
Фундаменты в вытрамбованных котлованах рекомендуется применять в просадочных лёссовых грунтах, различных глинистых, насыпных грунтах с числом пластичности Iр³3, удельным весом в сухом состоянии gd£1,7 кг/м3 и степенью влажности Sr£0,75. Возможно также применение фундаментов в вытрамбованных котлованах в плотных глинистых грунтах с gd³1,7 г/м3, водонасыщенных глинистых и песчаных грунтах с Sr³0,8. На грунтах со II типом по просадочности такие фундаменты можно устраивать при соблюдении следующего условия: суммарная просадка грунта от действия собственного веса и осадки фундамента от внешней нагрузки не должна превышать предельно допустимых значений для данного типа здания или сооружения. Ликвидация просадочных свойств грунтов в пределах всей просадочной толщи производится: глубинным уплотнением грунтовыми сваями — путем пробивки скважин с созданием вокруг них уплотненных зон с последующим заполнением их грунтом и тщательным уплотнением предварительным замачиванием просадочных грунтов с применением подводных взрывов. Для этого снимается слой растительного грунта, на дно выемки укладывается песчаный слой для исключения заиливания грунта, обваловывается выемка и заливается водой. После замачивания просадочной толщи производят взрывы и уплотняют грунт; химическим или термическим закреплением грунта. Прорезка просадочных грунтов осуществляется: устройством свайных фундаментов (забивных, набивных, буронабивных и т. д.); устройством столбов, лент из закрепленного термическим, химическим и другим способом грунта; прорезкой фундаментом. Водозащитные и конструктивные мероприятия в комплексе с уплотнением или закреплением грунтов деформируемой зоны применяются, в основном, на просадочных грунтах со II типом грунтовых условий по просадочности. Водозащитные мероприятия применяются с целью снижения вероятности замачивания грунтов, контроля за состоянием сетей, несущих воду, обеспечения возможности предотвращения источников замачивания грунтов и т. д. К ним относятся соответствующая компоновка генеральных планов, устройство маловодопроницаемых экранов, качественных отмосток вокруг зданий, прокладка коммуникаций с исключением возможной утечки из них воды и т. д. Конструктивные мероприятия, как правило, назначаются по результатам расчета конструкций зданий и сооружений на неравномерные просадки грунтов. Они подразделяются на три основные группы: 1) направленные на повышение прочности и общей пространственной жесткости зданий и сооружений; 2) предусматривающие увеличение податливости зданий за счет применения гибких податливых конструкций; 3) обеспечивающие нормальную эксплуатацию зданий и сооружений при возможных неравномерных просадках основания (рихтовка подкрановых путей, поднятие колонн домкратами и т. д.). Выбор этих мероприятий производится на основе технико-экономического анализа в зависимости от конструкций зданий, грунтовых условий и т. д.
Фундаменты на сильносжимаемых, водонасыщенных грунтах. Слабые водонасыщенные глинистые грунты обладают следующими физико-механическими свойствами, обусловливающими выделение их в отдельную группу. 1. Слабые водонасыщенные глинистые грунты обладают большой и неравномерной сжимаемостью. Здания и сооружения на таких грунтах претерпевают большие осадки, в отдельных случаях до 1,5...2 м, что приводит здания к непригодности для эксплуатации. 2. Процесс уплотнения слабых водонасыщенных глинистых грунтов происходит в течение длительного времени. Поэтому осадки зданий развиваются очень медленно, особенно в тех случаях, когда основания сложены большими толщами водонасыщенных глинистых грунтов. Происходит это ввиду низкой водопроницаемости этих грунтов и медленного отжатия поровой воды в процессе уплотнения под воздействием внешней нагрузки. Наблюдения за осадками показывают, что в зданиях наблюдаются изгибы кирпичной кладки, прогибы металлических и железобетонных конструкций и т. д. 3. Слабые водонасыщенные глинистые грунты имеют низкую прочность. Определенные по методике быстрого сдвига угол внутреннего трения и удельное сцепление соответственно составляют 4... 10° и 0,006... 0,025 МПа. Поэтому на таких грунтах чрезвычайно сложно обеспечить устойчивость зданий и сооружений, особенно с эксцентричным приложением внешней нагрузки (дымовые трубы, опоры линии передач и др.). 4. Структурные свойства слабых водонасыщенных глинистых грунтов характеризуются, как правило, неустойчивостью и низкой «структурной прочностью сжатия». Структурная неустойчивость особенно характерна для илов, заторфованных грунтов и слабых ленточных водно-ледниковых отложений. Илистые грунты резко изменяют свои прочностные и деформационные свойства при нарушении природной структуры без изменения влажности, что говорит о существенном влиянии структурной прочности на механические свойства грунтов. На таких грунтах нельзя возводить фундаменты обычным способом. Приходится устраивать песчаную подушку, с помощью которой уменьшают интенсивность давления от фундамента и плавно распределяют его по кровле слабых грунтов. Кроме того, устройство песчаной подушки позволяет уменьшить образование зон сдвигов, обусловливает фильтрацию воды вверх и тем самым уменьшает гидродинамическое давление, распространяющееся от подошвы фундамента в стороны. Эффективность этого способа увеличивается еще больше, если под подушкой устраиваются вертикальные песчаные дрены. Значительные деформации характерны и для оснований, сложенных заторфованными грунтами, особенно с сильноразложившимися органическими остатками. Их обычно прорезают сваями или устраивают фундаменты глубокого заложения. При строительстве на таких грунтах легких зданий стремятся уменьшить давление по подошве фундамента с помощью сплошной монолитной железобетонной плиты или другими способами. Применим здесь и способ устройства плавающих фундаментов. В этом случае вес извлекаемого грунта равен весу строящегося здания или сооружения. Однако следует иметь в виду, что при этом способе будет происходить разуплотнение грунтов и, как следствие, возникнут осадки разуплотнения. При использовании слабых грунтов в качестве оснований следует принимать все меры к тому, чтобы сохранить в период эксплуатации напряженное состояние, возникающее после приложения нагрузок и тем самым исключить дополнительные осадки. Изменения напряженного состояния могут произойти при строительстве новых сооружений рядом с существующими и выполнении подсыпок территорий, особенно при понижении уровня подземных вод. Изменение напряженного состояния обусловливает в свайных фундаментах развитие отрицательного трения и появление дополнительных осадок. При строительстве зданий и сооружений на слабых глинистых грунтах предусматривают комплекс мероприятий, обеспечивающих устойчивость конструкций в период строительства и эксплуатации. 1. Сооружению в целом или отдельным его частям придают строительный подъем, т. е. сооружение возводят выше ожидаемой осадки. Особенно это необходимо в том случае, когда сооружение состоит из неодинаково загруженных частей, дающих разные осадки. 2. Увеличение гибкости сооружения для того, чтобы гибкая его подземная часть следовала за осадкой основания и в конструкциях не возникали дополнительные усилия (устройства разрезных, статически определимых конструкций, разрезка наиболее жестких частей здания на отдельные блоки и т. д.). 3. Придание конструкциям сооружений добавочной прочности для восприятия дополнительных усилий при развитии неравномерных осадок: в стенах укладывают арматуру для повышения сопротивления растягивающим усилиям, устраивают монолитные железобетонные пояса по периметру наружных и внутренних стен. 4. Применение фундаментов, выравнивающих осадки оснований, в виде перекрестных лент или сплошной железобетонной плиты, устройство многоэтажных зданий с несущими поперечными стенами и др. 5. Особые конструктивные решения: устройство зданий простой конструкции в плане, проектирование габаритных размеров конструкций с учетом возможной рихтовки подкрановых путей, направляющих лифтов, устройство отверстий для вводов в здание и выводов из него с учетом возможной осадки в период эксплуатации и т. д. Выбор этих мероприятий определяется инженерно-геологическими особенностями слабых грунтов, классом проектируемых зданий. Окончательное решение принимается на основе технико-экономического сравнения рассматриваемых вариантов. Фундаменты на набухающих грунтах. Ряд глинистых грунтов, содержащих значительное количество частиц глинистого минерала монтмориллонита, изменяет свой объем с изменением влажности. Происходит это потому, что вода адсорбируется на поверхности минеральных частиц в виде гидратных оболочек и при незначительных расстояниях между частицами раздвигает их до полного насыщения образца водой. Одновременно состоящие из монтмориллонита глинистые частицы впитывают в себя воду вследствие увеличения расстояния между пакетами молекул. Этому процессу препятствуют силы сцепления между глинистыми частицами и их агрегатами и действующее напряжение. При определенном напряжении набухания глинистого грунта не происходит. Минимальное напряжение, при котором отсутствует набухание, называется давлением набухания. Для оценки степени, набухаемости глинистых грунтов проводятся компрессионные испытания с замачиванием. По результатам опытов определяется относительное набухание грунта , (11.5) где hsat — высота образца после замачивания при давлении sztl; hn— высота образца грунта природной плотности и влажности, обжатого в условиях невозможности бокового расширения под давлением р, определяемым как суммарное вертикальное напряжение sztl =szp + szq + szad, (11.6) где szp — вертикальное давление от нагрузки фундамента; szq — вертикальное давление от собственного веса грунта; szad — дополнительное вертикальное давление, обусловленное весом неувлажненной части массива грунта за пределами замачивания и определяемого по формуле szad =kqg (d+z). (11.7) Значение коэффициента kq определяют по СНиП 2.02.01—83. При изменении водно-теплового режима и экранизации поверхности относительное набухание определяют по соответствующей формуле СНиПа. где eswi — относительное набухание i-ro слоя грунта; hi — толщина i-го слоя грунта; kswi — коэффициенты, принимаемые по СНиПу; n — число слоев, на которое разбивается зона набухания грунта. Следует иметь в виду, что набухающие грунты при высыхании дают значительную усадку, сопровождающуюся значительными деформациями основания зданий и сооружений. Относительная линейная усадка грунта при его высыхании:
Рис. 11.4. Расчетная схема для определения подъема основания при набухании грунта: DL — отметка планировки; FL — отметка подошвы фундамента; BSW — нижняя граница зоны набухания.
Высота поднятия основания при набухании грунта (рис. 11.4): hsw = eswihikswi, (11.8) , (11.9) где hn — высота образца грунта наибольшей влажности при обжатии суммарным вертикальным напряжением в условиях невозможности бокового расширения; hd — высота образца при тех же условиях после высыхания и уменьшения влажности. Осадка основания фундаментов за счет высыхания набухающего грунта определяется следующим образом: , (7.10) где eshi — относительная линейная усадка грунта; hi —толщина i-го слоя грунта; ksh — коэффициент, равный 1,3; n — число слоев в пределах зоны усадки грунта. Ее граница определяется экспериментальным путем или равна 5 м. Полученные неравномерности поднятия фундаментов алгебраически суммируются с значениями неравномерных осадок. Если суммарные неравномерности превышают предельно допустимые значения деформаций, установленные нормами, то применяют следующие мероприятия против возможного замачивания грунтов основания: по уменьшению чувствительности несущих конструкций к неравномерным осадкам; по снижению деформаций, обусловленных набуханием грунтов основания. Для исключения замачивания грунтов предусматривают водозащитные мероприятия, аналогичные при устройстве фундаментов на лёссовых просадочных грунтах (исключение увлажнения грунтов в процессе строительства, применение слабофильтрующих грунтов для засыпки пазух фундаментов и т. д.). Сложность применения мероприятий по уменьшению чувствительности конструкций и неравномерных деформаций заключается в том, что набухание грунтов основания чаще всего происходит локально. В связи с этим полы первых этажей зданий устраивают по перекрытиям. Иногда применяют предварительное замачивание набухающих грунтов, однако процесс проникновения влаги в грунт протекает очень медленно. Если давление набухания невелико, возможна замена грунтов основания ненабухающим грунтом. Иногда применяют компенсирующие песчаные подушки, которые уменьшают неравномерности набухания грунтов и обеспечивают устойчивость грунтов основания. Возможна прорезка фундаментами набухающих грунтов, но такой способ не предотвращает воздействие набухающих грунтов на них, а также на полы и конструкции зданий, расположенных на поверхности грунта. Указанные мероприятия применяются, как правило, в комплексе на основе технико-экономических соображений с учетом особенностей набухающих грунтов, конструкции здания или сооружения.
1. Основная литература: 1 [231-233;233-239; 239-241] 2 [262-263; 263-265; 265-273;273-277] Контрольные вопросы: 1. В чем заключается структурная неустойчивость лессовых просадочных грунтов? 2. Каковы особенности проектирования фундаментов на лёссовых просадочных грунтах? 3. Какие мероприятия применяются для обеспечения устойчивости зданий на просадочных грунтах? 4. Какие грунты относятся к слабым и каковы их специфические особенности? 5. Каковы особенности устройства фундаментов на слабых водонасыщенных глинистых грунтах? 6. Каковы особенности набухающих грунтов и какие виды фундаментов рекомендуются на этих грунтах?
Дата добавления: 2015-06-04; Просмотров: 999; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |