Основание под трубы в крупнообломочных водонасыщенных грунтах. Основания под трубы и коллекторы, укладываемые открытым способом
При анализе аварий на канализационных сетях было установлено, что причинами разрушения труб являются деформации оснований под трубами, вызванные неравномерными просадками грунтов.
Грунт в естественном (ненарушенном) состоянии может служить надежным основанием для труб и коллекторов, заполненных водой, так как их масса не превышает массы вытесненной ими земли. Однако грунты по своему строению неоднородны, они могут быть сухими или насыщенными водой. При нарушении их природного равновесия глубо
кими выемками, а также откачкой воды или периодическим колебанием напорного горизонта грунты теряют устойчивость, приобретают подвижность и могут нарушить плотность среды, окружающей трубу.
Правильная строительная оценка грунтов при условии качественного выполнения работ исключает возможность образования местных просадок, вызывающих разрушение стыковых соединений, а иногда и трубопроводов. Естественными основаниями для труб могут служить: средние и крупнозернистые пески, супеси в сухом состоянии, мелкий и крупный гравий, песок в смеси со щебнем или галькой, глины и тяжелые суглинки при отсутствии в их толще водоносных прослоек, а также скальные и близкие к ним по крепости породы. Глинистые грунты, обладающие большим разнообразием, неоднородностью строения, способностью к пучению и размягчению при наличии в их толще песчаных водоносных прослоек, становятся вязкими, текучими, могут превращаться при избытке влаги в разжиженную массу и быть подвижными даже при небольшом количестве воды.
Крайне неустойчивы и ненадежны для укладки труб водоносные грунты из мелкого ила с примесью глинистых частиц, лёсс и лёссовидные суглинки, быстро и неравномерно теряющие несущую способность при насыщении водой, а также болотные и торфяные грунты, состоящие большей частью из продуктов разложения растительных остатков.
Для правильной строительной оценки грунтов необходимо на продольном профиле коллектора наносить гидрогеологический разрез и по нему выбирать конструкцию оснований в зависимости от естественного состояния грунтов, способов работ, глубины засыпки и размера труб.
Основания под трубы следует принимать в зависимости от несущей способности грунтов и фактических нагрузок. Во всех грунтах, за исключением скальных, плывунных, болотистых и просадочных II типа,
как правило, следует предусматривать укладку труб при высоте засыпки до 6 м над верхом труб непосредственно на выровненное дно траншеи.
При укладке труб и коллекторов на сухой грунт необходимо, чтобы он на дне транше и оставался в естественном (ненарушенном) и сухом состоянии. Ложе под трубы следует устраивать одновременно с их укладкой таким образом, чтобы оно было хорошо выровнено и труба на всем своем протяжении плотно соприкасалась с грунтом ненарушенной структуры не менее чем на "Д окружности.
Трубы, уложенные так, чтобы четверть их окружности соприкасалась с ложем, выдерживают большее давление (на 30-40%), чем трубы, уложенные на плоскую поверхность без выемки. Тщательная трамбовка грунта при засыпке пространства между трубой и стенками траншеи повышает сопротивление трубы раздавливанию на 20%.
В супесчаных, суглинистых и глинистых сухих грунтах (с допускаемым давлением МПа) основанием для всех труб служит песчаная
Подушка, насыпаемая в выполненный для этой цели по дну траншеи лоток (рис. 3.22, а).
В мягкопластичных глинистых и суглинистых грунтах с коэффициентом пористости, равным единице, и в пылеватых грунтах средней плотности, насыщенных водой, при допускаемом давлении на грунт Р^0,15 МПа для прокладки тех же труб предусматриваются бетонная Плита и стул с углом охвата 135° из марки 200 (рис. 3.22,6).
В свеженасыпных грунтах с ожидаемой неравномерной осадкой для предупреждения нарушения стыковых соединений труб основание следует устраивать из монолитного железобетона (рис. 3.22, в).
Толщину основания принимают:
Для труб диаметром до 1000 мм » » » 1200-2400 » . » » » более 2400 » .
Во всех случаях предусматривают засыпку трубы до 7г диаметра песчаным грунтом с тщательным трамбованием.
При увеличении высоты засыпки до 12 м укладывают те же трубы, но для усиления устраивают железобетонный стул, охватывающий более 1/2 сечения трубы (рис. 3.22,г). Стул увеличивает сопротивление раздавливанию трубы в 1,5-2 раза.
В водонасыщенных грунтах, хорошо отдающих воду, керамические и железобетонные трубы укладывают на слой щебня , гравия или крупного речного песка толщиной 0,15-0,2 м с дренажными лотками для отвода воды.
В скальных грунтах трубы укладывают на песчаную подушку толщиной не менее 10 см. В илистых и торфянистых грунтах, в плывунах и других слабых грунтах укладывают длинномерные трубы или устраивают искусственное основание под трубы всех диаметров, а стыки труб заделывают эластичными материалами.
В просадочных грунтах все трубы укладывают непосредственно на грунт, уплотненный на глубину 0,2-0,25 м, с предварительным замачиванием грунта водой (см. § 44).
В целях отказа от устройства трудоемких и дорогостоящих искусственных оснований следует применять длинномерные низконапорные железобетонные трубы на гарантированное внутреннее давление 0,1 МПа с укладкой их непосредственно на грунт.
К водонасыщенным относятся глинистые грунты, рыхлые пески и просадочные супеси, которые склонны к разуплотнению, потере прочностных характеристик и разжижению. Возводить здания на такой почве нужно по индивидуальной технологии, но прежде следует выполнить геологические изыскания для строительства . Эти процедуры позволяют определить структурную прочность сжатия, количество органического вещества в грунте и степень его разложения, сжимаемость.
Особое внимание при строительстве на подобных грунтах уделяется монтажу фундамента, так как нужно найти оптимальные решения, которые исключат его неравномерную осадку.
Мероприятия по уменьшению осадки основания
Чтобы предотвратить чрезмерные неравномерности осадки, выполняют следующее:
- изменяют глубину залегания основания;
- увеличивают площадь подошв фундамента;
- при наличии более плотного верхнего слоя его применяют как распределительную подушку;
- в той части сооружения, где предполагается наибольшая осадка, обустраивают более глубокий подвал.
Если ожидается осадка фундамента свыше 150 мм, зданию придается строительный подъем - подошва поднимается на рассчитанную величину. Инженерные коммуникации в этом случае прокладывают в специальных каналах, канализационный трубопровод укладывают с увеличенным наклоном. В местах примыкания внешних предметов к основанию необходимо обеспечить зазор равный величине предполагаемой осадки.
Варианты устройства фундаментов на водонасыщенных грунтах
В основании делаются пояса из железобетона, воспринимающие нагрузки, которые воздействуют при прогибе здания. Определить перераспределение контактных давлений, вызванное воздействием изгибающих моментов, можно только зная конкретную величину неравномерной осадки. А это можно вычислить лишь путем инженерно-геологических изысканий.
Сократить время уплотнения фундамента можно при помощи устройства песчаных дрен ∅ 400-600 мм и глубиной 15-20 м в грунте на расстоянии 2,5-3 м. Сверху они объединяются песчаной подушкой толщиной 0,8-1 м. В местности, где нет песка, допускается использование картонных дрен.
- чтобы уменьшить глубину залегания подошвы, а давление передать на большую площадь, создаются песчаные подушки;
- уплотнить грунт можно путем обустройства известковых свай - при помощи обсадных труб подготавливаются скважины, которые заполняются негашеной известью, а при попадании грунтовых вод она гасится, что приводит к увеличению ее в объеме на 60-80 %;
- устройство дренирующих траншей глубиной примерно 5,5 м (учитывается предполагаемая величина осадок) и шириной в пределах 0,6-0,8 м, которые засыпаются песком, а поверху также делается песчаная подушка.
Но лучше выполнить сплошной «плавающий» либо коробчатый фундамент полностью под всем сооружением. Такой тип основания будет способствовать выравниванию неравномерной осадки.
Возведение зданий на водонасыщенных грунтах требует дополнительных затрат и сложнее чем на грунтах других типов. Кроме влаги, которая негативно влияет на здание, грунты такого типа обладают слабой несущей способностью и требуют использования специальных решений. Чаще всего это требуется в глинах и суглинках.
Фундамент на водонасыщенных основаниях часто подвергается осадкам, причем не только непосредственно после возведения, но и долго после этого. В таких условиях популярны и сваи разного типа.
Также применяют песчаные подушки. Для отвода воды и защиты от нее устраивают дренаж участка и гидроизоляцию здания.
Сваи
Свайный фундамент для водонасыщенных грунтов передает нагрузку на нижележащие слои, которые прочнее. В частном строительстве применяют несколько типов свай:
- винтовые сваи;
- буронабивные сваи.
При устройстве буронабивных необходимо сначала бурить скважину, в которую затем заливается бетонный раствор, усиленный арматурным каркасом. Вода из грунта может заполнять канал и мешать его бетонировать.
Винтовые сваи удобнее и проще в использовании в таком случае. Это металлический стержень, защищенный от коррозии, что позволяет не беспокоиться о влиянии воды на стержень. Также на глубине малое содержание кислорода, необходимого для коррозии.
Винтовая свая удобна и тем, что на ее конце устроен винт, благодаря которому она ввинчивается в землю. После достижения проектной глубины он служит анкером, который держит конструкцию в основании при возникновении сил морозного пучения.
Плитные и ленточные конструкции
При опасности просадок применяют и технологию «плавающей» плиты. Такой фундамент представляет собой монолитную плиту из железобетона толщиной 0,4-0,6 м. Она располагается под всей площадью дома, что помогает равномернее распределять нагрузку на основание. При проседании или пучении плита сохраняет целостность и сохраняет конструкцию здания от разрушения. Основной недостаток - высокая цена решения.
При использовании ленточных фундаментов ограничивают неравномерность осадок разными способами. Одним из вариантов является применение перекрещивающихся лент. Для жесткости фундамент усиливают армированными каркасами и поясами: один пояс в подушке ленты, а второй поверху фундамента. Вариантом является увеличение площади опирания конструкции на основание.
Замена слабых оснований
Применяют и песчаные подушки, которыми заменяют слабые грунты. Для этих целей водонасыщенный грунт извлекают на глубину 1-2 м (и больше, зависит от условий) и заменяют на слой песка. Это позволяет уменьшить глубину заложения конструкции и увеличить несущую способность основания. Песок равномерно распределяет нагрузку на нижние слои. Песок также выступает в качестве дренажа воды из нижних слоев.
Какой фундамент лучше для водонасыщенного грунта? Ответ на этот вопрос зависит от характеристик и особенностей конкретного участка. Проводят инженерно-геологические изыскания, определяют не только состав и несущую способность основания, и уровень залегания воды. На основании этих данных рассчитывают стоимость и удобство всех решений. Независимо от выбранной конструкции в основаниях такого типа уделяют внимание дополнительной гидроизоляции фундамента и стен.
ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
УТВЕРЖДАЮ
Зам. директора института
Г. ХАСХАЧИХ
Москва 1974
ПРЕДИСЛОВИЕ
"Методические рекомендации по предотвращению растяжки водопропускных труб" разработаны в Новосибирском филиале Всесоюзного научно-исследовательского института транспортного строительства в дополнение к действующим нормативным документам в соответствии с решением Технического управления Минтрансстроя.
В Рекомендациях изложена методика расчета и конструирования водопропускных труб с учетом явления растяжки в сложных инженерно-геологических условиях, в том числе в районах вечной мерзлоты. Применение Рекомендаций послужит улучшению качества и долговечности водопропускных труб, повышению их устойчивости против растяжки - деформации весьма распространенной, особенно в Северной строительно-климатической зоне.
Рекомендации составлены кандидатами техн. наук Л.С. Потаповым, Р.Е. Подвальным и И.З. Лобановым по результатам исследований, выполненных СибЦНИИСом в 1962-1972гг. совместно с проектными и строительными организациями Минтрансстроя. При разработке учтен многолетний опыт строительства и эксплуатации водопропускных труб на железных дорогах Сибири.
Директор СибЦНИИСа /Б. Корякин/
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.2. В работе приведены: методики определения условий, при которых возможно возникновение растяжки труб, рекомендации по проектированию и строительству труб с учетом явления растяжки. 1
1.3. Принято, что целостность трубы (отсутствие растяжки) должна быть обеспечена как во время строительства, так и в период эксплуатации. При этом учитывается, что для сооружений на талых грунтах наиболее неблагоприятных периодом является время отсыпки насыпи в первые годы эксплуатации. Для сооружений на вечномерзлых грунтах неблагоприятные условия, кроме того, могут возникать и в процессе последующей длительной эксплуатации.
где К 0 - коэффициент стабильности;
γ - объемный вес грунта насыпи, т/м 3 ;
Н - высота насыпи, м;
Коэффициент, учитывающий влияние временной вертикальной нагрузки;
q - давление по подошве насыпи от временной вертикальной нагрузки, т/м 2 , определяемое по СН 200-62, где класс нагрузки К следует принимать равным 10 при талых и 14 при мерзлых грунтах в основании;
с н и φ н - нормативные величины удельного сцепления, т/м 2 , и угла внутреннего трения, град, в данной точке основания;
- напряжение в той же точке от собственного веса грунта основания, т/м 2 ;
γ 0 i - объемный вес грунта в i -ом слое основания, т/м 3 ;
для водонасыщенных грунтов γо = 1,0 т/м 3 ;
h i - мощность i -го слоя основания, м;
n i - количество слоев грунта основания, расположенные выше данной точки;
α= z /в - отношение глубины расположения данной точки основания (от подошвы насыпи) к полуширине основной площадки;
D - коэффициент, определяемый по графикам на рис.1 в зависимости от отношений α= z /в и η=В/в ;
в - полуширина подошвы насыпи, м.
где
;
;
.
В формулах (2) - (5):
Н - высота насыпи от ее верха до уровня расчетной плоскости, м;
В - полуширина насыпи в уровне расчетной плоскости, м;
х - координаты точек в расчетной плоскости, отсчитываемые от оси насыпи, м;
ξ - коэффициент бокового давленая грунта, который для насыпи разрешается принимать равным 0,333;
- коэффициент формы
поперечника насыпи;
и - нормативные величины удельного сцепления, т/м 2 и угла внутреннего трения, град., для грунта слабой прослойки.
Примечания . З a расчетную плоскость принимают плоскость контакта слабой прослойки с более прочным грунтом, а для вечномерзлых грунтов – границу оттаивании с учетом возможного ее перемещения.
2. При величине коэффициента k > 1 (рис.3.б) в расчет вводят k = 1 и В = 1,5 m Н ; координаты x в этом случае отсчитывают от условной оси, отстоящей от подошвы откоса, продолженного до расчетной плоскости, на расстоянии 1,5 mH .
Рис.6 . Конструкция подушки из крупнообломочных грунтов при неглубоком залегании прочных пород в основании: 1 - подошва насыпи
5. КОНСТРУКТИВНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ РАСТЯЖКИ ТРУБ
5.1. Конструктивные мероприятия, направленные на обеспечение устойчивости труб против растяжки при возможных подвижках окружающего грунта, включают:
а) применение фундаментов, объединенных по длине;
б) экранирование труб;
в) применение фундаментов с наклонными сваями;
г) применение металлических труб без разрезки их на секции.
Примечание . Конструктивное приспособление труб к восприятию усилий продольной растяжки в необходимых случаях должно быть дополнено мероприятиями против повышенных неравномерных осадок (например, применение свайных фундаментов).
n q = 1,092. Замену производят дренирующим грунтом, обводнение которого произойдет до отсыпки насыпи;
g 0 = 1,0 т/м 2 .
Решение . 1) Ориентировочно назначают глубину замены Н п = 4,0 м,
2) 
, где
. Результаты расчетов
сводят в табл.5
Таблица 5
|
z , м |
h , м |
γ 0 , т/м 3 |
γ 0 n , т/м 2 |
||||||||||
|
0,364 |
3,456 |
0,239 |
|||||||||||
|
0,364 |
3,820 |
0,232 |
0,070 |
54,6 |
2,78 |
||||||||
|
0,364 |
4,184 |
0,217 |
0,130 |
32,2 |
1,64 |
||||||||
|
0,364 |
4,548 |
0,199 |
0,179 |
25,4 |
1,29 |
||||||||
|
0,364 |
4,912 |
0,180 |
0,216 |
22,8 |
1,16 |
||||||||
|
0,364 |
5,276 |
0,162 |
0,243 |
21,7 |
1,11 |
||||||||
|
10,0 |
0,364 |
5,640 |
0,145 |
0,261 |
21,6 |
1 ,10 |
|||||||
|
11,0 |
0,364 |
6,000 |
0,126 |
0,277 |
21,7 |
1,11 |
|||||||
|
12,0 |
0,364 |
6,370" |
0,114 |
0,285 |
22,4 |
1,14 |
Анализируя данные таблицы, находит К о = 1,10>1,0. Глубина замены принята с запасом.
4) Уменьшают глубину замены грунта до Н п = 3,0 м и повторяют расчет по п.2.
5) Анализируя данные таблицы повторного расчета, получают K 0 ≈ 1,00.
Вывод . Стабильность основания под грунтовой подушкой обеспечена.
Глубину области замены можно принять равной Н п = 3,0м.
Длина (вдоль оси насыпи) области замены грунта D n = 3,0×4×2 = 24м.
Ширина области замены грунта 2В = 2×18,2 = 36,4 м.
ПРИМЕР 4. PAC Насыпь однопутная (поперечник типовой ): Н = 12,2 м ; Н З = 10,0 м ; грунт насыпи - суглинок : γ =1,9 т / м 3 ; φ Н = 17 о (tg φ Н = 0,306, ξ = tg 2 (45 o - φ Н /2) = 545). Основание: а) под трубой подушка из крупнообломочного грунта (см. )- коэффициент трения кладки по грунту ψ = 0,50; б) рядом с подушкой глинистые грунты текучей и текучепластичной консистенции: γ 0 = 1,7 т/м 3 ; = 8° (tg =0, I 4; ξ = 0,75); расчетом установлена возможность подвижки насыпи и основания.
Коэффициенты перегрузки n : для веса грунта насыпи - 1,2 (0,8); для веса элементов трубы -1,1 (0,9); для давления грунта от временной нагрузки – 1,2 (0,8).
Решение . 1) Определяют нормальное к поверхности трубы силовое воздействие;
а) давление грунта на перекрытие трубы
N 1 = (в- B 1 )/2Н 3 d T Cγ (С определяют по приложению 8 СН 200-62).
б) давление грунта на обрезы фундамента
4. Строительство в слабых водонасыщенных грунтах.
4.1 Принцип расчёта и проектирования оснований.
К слабым водонасыщенным грунтам относят насыщеннные водой сильносжимаемые грунты, которые при обычных скоростях приложения нагрузок на основание теряют свою прочность, вследствие чего уменьшается их сопротивление сдвигу и возрастает сжимаемость. Слабый глинистый грунт – это дисперсная структурированная система с коагуляционным типом структурных связей, способная при их нарушении переходить из твердообразного состояния в жидкообразное. Текучее состояние грунта определяется степенью нарушения структурных связей. При расчете осадок сильносжимаемых водонасыщенных глинистых оснований возникает необходимость учета ползучести, нелинейной деформируемости и проницаемости. Цикличность приложения нагрузок, например, в элеваторах, изменяет прочностные и деформационные свойства грунтов оснований во времени. Неравномерная загрузка отдельных силосов приводит к значительным неравномерным деформациям. Специалисты рекомендуют проводить равномерную первичную загрузку и разгрузку элеваторов.
Часто к слабым водонасыщенным относят глинистые грунты (илы, ленточные глинистые грунты, водонасыщенные лессовые макропористые и заторфованные грунты и др.) при Е ≤ 5 МПа и sr ≥ 0,8, ϕ = 4 … 10°, с = 0,006 … 0,025 МПа.
Значение коэффициентов фильтрации в вертикальном и горизонтальном направлениях отличаются до 10 раз. Общая осадка подразделяется на часть, описываемую теорией фильтрационной консолидации, и часть, описываемую процессами вторичной консолидации.
При проектировании фундаментов мелкого заложения необходимо ограничить:
Средние осадки предельными величинами;
Относительные разности осадок соседних фундаментов предельными значениями;
Скорости протекания осадок допустимыми.
При прохождении сейсмических волн через слабый водонепроницаемый грунт возникает поровое давление и снижаются прочностные характеристики грунта. В этих условиях рекомендуется применять сваи-стойки с полной прорезкой слабых грунтов и опиранием на прочный. Кроме того, возможно применение песчаных подушек, дренажных прорезей с пригрузочными насыпями, известковых свай с последующим уплотнением грунтов тяжелыми трамбовками.
В случае, когда методы уплотнения и упрочнения не дают эффекта, а осадка превышает предельную, необходимы конструктивные мероприятия. К ним относятся: повышение жесткости зданий путем разрезки осадочными швами на отдельные блоки; повышение жесткости каждого блока устройством монолитных железобетонных или сборно-монолитных фундаментов; устройство железобетонных или металлических поясов или армированных швов; устройство жестких диафрагм, например, горизонтальных из плит; повышение гибкости и податливости гибких зданий и сооружений.
Осадки фундаментов вычисляются с использованием расчетных схем в виде линейно-деформированного пространства или линейно-деформи-руемого слоя. Границу сжимаемой толщи определяют на такой глубине, где дополнительные напряжения равны 3 кПа – для илов, а для заторфованных грунтов на глубине, где дополнительное к природному давление равно структурной прочности.
Дополнительную осадку фундаментов на основаниях, сложенных водонасыщенными или органо-минеральными грунтами за счет разложения органических включений допускается не учитывать, если в период срока службы сооружения, уровень грунтовых вод не будет понижаться
4.2 Способы уплотнения оснований.
Фильтрующая пригрузка. Эффективно предпостроечное уплотнение слабых водонасыщенных грунтов. С этой целью устраивают фильтрующую пригрузку. Время уплотнения водонасыщенного грунта почти прямо пропорционально квадрату расстояния до дренажной поверхности. Для сокращения расстояния движения отжимаемой воды устраивают вертикальные песчаные дрены диаметром 0,4 … 0,6 м с расстоянием друг от друга 2,5 м. Вертикальные дрены поверху объединяют песчаной фильтрационной подушкой толщиной 0,6 … 1 м.
При толщине слабых глинистых грунтов до 7 м могут быть эффективны дренирующие прорезы в виде траншей шириной 0,6… 0,8 м и глубиной до 5,5 м. Траншеи заполняются песком, а над ними отсыпается горизонтальная подушка. Сплошные дренажные прорези устраивают там, где имеется дешевый дренирующий грунт.
В ряде случаев экономично применение дрен из искусственных материалов, например, картонные дрены. Их изготовляют из непроклееного трехслойного картона с поперечным сечением 3 × 100 мм. Коэффициент фильтрации картонной дрены составляет 10-3… 10-1 см/с, это в 100 … 1000 раз больше коэффициентов фильтрации слабого водонасыщенного грунта.
Конечная осадка слоя биогенного грунта или ила в стабилизированном состоянии, обусловленном намытым и отсыпанным слоем песка, вычисляют по формуле
s = 3ph / (3Е + 4p ), (3.1)
где p – давление от песчаного грунта на поверхность слабого водонасыщенного биогенного грунта или ила, кПа; h – толщина слоя биогенного грунта или ила; E – модуль деформации биогенного грунта или ила при полной влагоемкости, кПа.
Осадка сильносжимаемого грунта зависит от сроков консолидации и от дренирования основания. Осадка недренированного основания пригруженного фильтрующей насыпью в заданный момент времени.
Песчаные подушки. На практике для снижения величины и неравномерности осадок фундаментов часто устраивают песчаные подушки толщиной до пяти метров. С их помощью удается уменьшить глубину заложения фундаментов и распределить давление на большую площадь, уменьшить размеры фундаментов. Песчаные подушки устраивают из средне- и крупнозернистых песков, щебня, гравия, гравийно-песчаной смеси.
Известковые сваи. В ряде случаев целесообразно применять известковые сваи. В толще грунтов под защитой обсадных труб пробуривают скважины диаметром 30 … 50 см. Их заполняют негашеной комовой известью слоем около одного метра. В обсадную трубу спускают трамбовку массой 300 … 400 кг и производят уплотнение. Снова насыпают слой извести и утрамбовывают и т.д.
Грунт уплотняется при погружении трубы и после трамбования извести. При взаимодействии негашеной извести с поровой водой происходит гашение. Вследствие этого увеличивается диаметр известковой сваи на 60 … 80 % и дополнительно уплотняется грунт вокруг сваи. Кроме того, при гашении извести выделяется большое количество тепла. Температура поднимается до 200 °С. Вследствие чего влажность окружающего грунта уменьшается, а прочностные характеристики увеличиваются. Далее производят поверхностное уплотнение грунта тяжелыми трамбовками.
Песчаные сваи устраивают путем забивки в грунт металлической трубы с закрытым концом. Полость заполняют песком с тщательным уплотнением. Вокруг ствола сваи образуется уплотненная зона слабого грунта диаметром до полутора метров (при диаметре сваи 0,4 … 0,5 м).
Электрохимическая обработка. В практике иногда применяют электрохимическую обработку грунтов для повышения несущей способности оснований сооружений, создания ограждений при проходке котлованов и траншей, борьбы с морозным пучением, с оползнями. Они используются для упрочнения всех видов грунтов с коэффициентом фильтрации менее 0,5 м/сут (мелких и пылеватых песков, супесей, суглинков, глин, илов, разложившегося торфа). Электрохимическая обработка подразделяется на: электроосушение, электролитическую обработку и электросиликатизацию. Долговременное необратимое упрочнение можно получить при введении химических добавок.
Упрочнение грунта происходит благодаря электрохимическим и структурообразовательным процессам, происходящим в глинистом грунте при пропускании постоянного электрического тока и введении электролитов.
Свайные фундаменты. Их применяют при сравнительно небольшой толщине слабых грунтов (до 12 м), подстилаемых прочными. Сваями прорезают полностью слабый грунт с опиранием на прочный. При забивке свай резко возрастает поровое давление, вследствие чего снижается несущая способность сваи. Со временем поровое давление снижается практически до нуля, а несущая способность сваи возрастает.
В условиях слабого глинистого основания возможно проявление отрицательного трения. Оседающий вокруг сваи грунт нагружает ее. Величина отрицательного трения может достигнуть 500 кН.
Причинами этого могут быть:
Планировка площади подсыпкой;
Загружение поверхности длительно действующими полезными нагрузками;
Пригружение слабых грунтов в пределах проездов и улиц периодическими подсыпками при ремонте дорожных покрытий;
Изменение плотности грунтов в результате понижения уровня грунтовых вод;
Динамические воздействия на грунт тяжелого транспорта и промышленных установок;
Проявления процессов, приводящих к постоянному уплотнению молодых слабых грунтов.
Отрицательные силы трения учитывают до глубины, на которой значения осадки околосвайного грунта превышают половину предельного значения осадки фундамента. Расчетные сопротивления грунта fi принимают для торфа, ила, сапропеля fi =5 кПа.
Если в пределах сваи залегают напластования торфа толщиной более 30 см и возможна пригрузка территории около фундамента, то расчетное сопротивление fi для грунта, расположенного выше подошвы низшего слоя торфа принимают:
а) при подсыпках высотой до двух метров, для грунтовой подсыпки и слоев торфа равным 0, для минеральных грунтов природного сложения – по табл.;
б) при подсыпках от двух до пяти метров – для грунтов, включая подсыпку равным 0,4f , но со знаком "–", для торфа – (–5кПа);
в) при подсыпках более пяти метров – для грунтов, включая подсыпку – по, но со знаком "–", для торфа – (–5 кПа).
В пределах нижней части свай, где осадка околосвайного грунта после возведения и загрузки фундамента меньше ½ [su ], где su – предельная осадка, расчетные значения fi принимают положительными по, а для торфа, ила, сапропеля – 5 кПа.
В случае, когда консолидация грунта от подсыпки завершилась, сопротивление грунта по боковой поверхности сваи допускается принимать положительным вне зависимости от наличия прослоек торфа, для которых f = 5 кПа.
При забивке свай в слабые грунты прочность последних снижается из-за разрушения структурных связей и перераспределения воды в порах грунта. Время "отдыха" свай, соответствующее упрочнению грунта, t ≈ 1,5Ip (Ip – число пластичности). Для повышения несущей способности сваи на их стволе делают уширение в верхней, средней частях и на уровне нижнего конца. В последнем случае расчет свай по прочности ствола должен производится с учетом продольного изгиба. При осадке слабой грунтовой толщи проявляется отрицательное трение.
Для уменьшения сил отрицательного трения применяют специальные обмазки. В практике возможны следующие случаи:
сильно сжимаемый слой расположен с поверхности; на некоторой глубине находится слой сильно сжимаемого грунта, перекрытый
более прочными; толща состоит из перемежающихся пластов сильносжимаемых и сравнительно малосжимаемых грунтов.
При критических градиентах напора и скоростях фильтрации возможен фильтрационный выпор грунта. В практике наблюдается контактный размыв грунта фильтрационным потоком, идущим вдоль двух смежных слоев различной крупности. Для связных грунтов различают следующие фильтрационные деформации: суффозия, выпор, контактный выпор, отслаивание и контактный размыв.
Метод интенсивного ударного уплотнения. В практике гидротехнического строительства используют метод интенсивного ударного уплотнения слабых водонасыщенных грунтов, имеющий две разновидности: метод динамической консолидации и метод ударного разрушения (Ю. К. Зарецкий, 1989).
Работы по динамической консолидации выполняют по многоэтапной схеме с длительными (до месяца) перерывами между этапами, в течении которых рассеивается поровое давление. Расстояние между кратерами применяют равным 2 … 5 диаметрам.
При этом удары в соседней точке не должны нарушать достигнутого эффекта в предыдущей. Трамбовки применяют массой до 20 т при высоте сбрасывания до 30 м. Л. Менард объяснил механизм динамической консолидации положительной ролью содержащегося в порах газа и процессами сжижения.
Метод ударного разрушения применяют к грунтам с относительно невысоким водонасыщением. Уплотнение их не связано с необходимостью отжатия воды. Длительность между этапами здесь не существенна. Расстояние между центрами соседних лунок значительно меньше, чем при длительной консолидации.
Основным расчетом по деформациям является определение неравномерности осадок (прогиб, выгиб, перекос, крен, скручивание). Скорость развития осадок во времени ограничивается предельными значениями
ν = ds / dt ≤ [ν].
Для закрепления слабых грунтов применяют: одно- и двухрастворную силикатизацию, смолизацию, одно- и двухрастворную электросиликатизацию, электролитическую обработку, электроосушение.
4.3 Разжижение водонасыщенных грунтов.
Явление разжижения заключается в полной или частичной потере грунтом несущей способности и переходе его в текучее состояние в результате разрушения структуры и смещения частиц относительно друг друга. Необходимыми условиями разжижения являются: разрушение структуры (часто при динамических воздействиях), возможность упрочнения грунта и полное насыщение его водой. Возможность разрушения структуры определяется интенсивностью воздействий, начальным напряженным состоянием и плотностью сложения грунта. Время консолидации (уплотнения) и пребывания грунтов в разжиженном состоянии определяется водопроницаемостью грунта, изменением его прочности, длиной пути фильтрации. Состояние разжижения присуще всем рыхлым водонасыщенным пескам любой прочности.
Разжижение невозможно, если
η р ≤ η кр,
где η р – расчетное ускорение колебаний; ηкр – то же, критическое, определяемое экспериментально (например, по данным виброкомпрессионных испытаний).
Мероприятия по борьбе с разжижением разделяют на два вида: предотвращение возможности разжижения и уменьшение последствий разжижения. К первому относят уплотнение несвязных грунтов и устройство пригрузок. Для уменьшения смещений разжиженных масс грунта используют ускорение процесса их консолидации. Время пребывания грунта в разжиженном состоянии можно регулировать с помощью вертикальных и горизонтальных дренажей.
4.4 Реологические процессы в грунтах, ползучесть.
Наиболее ярко это свойство проявляется в глинистых грунтах. Осадки зданий или сооружений продолжаются десятками, а иногда и сотнями лет. Деформации ползучести в песках значительно меньше. При сдвиговых деформациях различают (в зависимости уровня нагрузки) стадии затухающей, установившейся ползучести и прогрессирующего течения. Проектирование сооружений в грунтах с ярко выраженными свойствами ползучести осуществляют двумя путями: не допустить возникновение ощутимых деформаций ползучести и (А. Я. Будин) ограничивать деформации смещения допустимыми значениями в течение заданного срока эксплуатации.
Прочность грунта, полученную в обычных относительно кратковременных испытаниях, называют стандартной. В случае длительного действия нагрузки разрушение происходит раньше (τt = f (t )). Для отдельных глин предел длительной прочности снижается до 30 %. Со временем грунт под подошвой упрочняется, а при установившейся ползучести разупрочняется. При деформациях форм, изменениях (сдвигах) в одних условиях (значения начальной прочности), грунт уплотняется, в других – разрыхляется. Пористость грунта, при которой в результате деформаций сдвига не происходит изменение объема, т.е. начальная и конечная пористость (n 0 и n ) равны, называют критической ncr .
4.5 Фундаменты на заторфованных грунтах.
Встречаются торфы с поверхности водонасыщенные неуплотненные, погребенные слабоуплотненные, погребенные в толще природных грунтов.
Торф отличается: большой сжимаемостью, малым сопротивлением сдвигу, значительной усадкой при осушении, ярко выраженными реологическими свойствами.
Получили распространение следующие способы инженерной подготовки территории: выторфовывание (полное удаление торфа и замена его минеральным грунтом); осушение (длительный процесс, сопровождающийся большими осадками поверхности);
намыв территории песчаным грунтом с понижением уровня подземных вод различными дренажными системами, частичная или
полная прорезка грунта глубокими фундаментами.
Расчет оснований, сложенных биогенными грунтами должен производиться с учетом скорости передачи нагрузки, изменения эффективных напряжений в грунте в процессе консолидации основания и анизотропии свойств грунтов.
Опирание фундаментов на поверхность заторфованных грунтов не допускается. При полной застройке намытых территорий рекомендуется выполнять геологическое районирование. Грунты, одинаковые в производственном отношении, объединяются в комплексы.
