Способы возведения фундаментов на набухающих грунтах
К основаниям из набухающих грунтов относят глинистые грунты, которые при замачивании в напряженном состоянии увеличиваются в объеме. Для набухающих грунтов характерны, кроме того, большая пластичность, низкий предел усадки и природная влажность. Выбор глубины заложения и назначение размеров фундаментов, возводимых на набухающих грунтах, можно производить без учета их набухающих свойств, т.е. как для обычных грунтов в природном состоянии.
— При небольших толщах набухающих грунтов применяют предварительное замачивание и строительство ведется как на водонасыщенных ненабухающих грунтах (материалом грунтовых подушек должна служить пылевато-глинистые набухающие грунты).
— Компенсирующие подушки применяются для уменьшения неравномерности подъема фундаментов (материал: любые, кроме пылевых, пески).
Принцип работы компенсирующей подушки состоит в следующем. Так как ширина песчанной подушки превышает ширину фундамента, при набухании грунта происходит выпирание песка между фундаментом истенкой траншеи. Поэтому при подъеме дна такой траншеи песок вокруг фундамента поднимается, а сам фундамент остается практически неподвижным.
Прорезка набухающих грунтов свайными фундаментами и глубокими опорами эффективна, если толща набухающих грунтов не превышает 12 м. Для избежания подъема, длина свай должна быть назначена таким образом, чтобы силы набухания, направленные вверх по боковой поверхности свай, были меньше, чем … нагрузок от сооружения и силы сопротивления по боковой поверхности в нижней части сваи, заглубленной в ненабухающие грунты. Для увеличения сил сопротивления в заделанной части сваи можно применять винтовые сваи или сваи с улучшенной пятой.
К конструктивным мероприятиям относится увеличение жесткости здания путем разбивки их на отдельные отсеки ………..крупнопанельных зданий осадочными швами на отсеки длиной менее 30м, армирование поясов,устраиваемых в нескольких уровнях по высоте.
Рис. 15.13. Схема сил, действующих на компенсирующую
1 – фундамент; 2 – обратная засыпка; 3 – набухающий грунт;
4 – песчаная компенсирующая подушка.
Особенности заложения фундаментов на набухающих грунтах
Набухание грунтов происходит при разработке грунтов в котлованах и укладке грунтов в насыпи – так как основная масса грунта, принадлежит к покровным отложениям, четвертичного возраста, венчающим все геологические разрезы.
Перекрытые ими дочетвертичные глинистые породы набухают сильнее в силу более высокой плотности, меньшей влажности, разгрузки при вскрытии котлованами, выемками, когда и происходит разрушение структурных связей при воздействии осадков и смены температурного режима.
Наиболее интенсивно процессы набухания-усадки протекают в зонах переменного температурно-влажностного режима — в откосах и насыпях.
В естественном состоянии глины, вмещающие, перекрывающие и подстилающие пласты водоносных песков, не размягчаются подземными водами, а как бы консервируются; подземные воды не влияют на склонность коренных глин к набуханию.
Однако при разработке котлованов происходит снятие слоя грунта, уменьшение давления, и доступ к коренным отложениям влаги, и возможности изменения температурного режима.
Набухание проявляется при нарушении природного сложения глинистых грунтов — усадке при подсыхании и набуханию при увлажнении способны все глины и суглинки, но эта способность проявляется только при определенных условиях.
Сильнее всего склонны к усадке и набуханию морские и озерные глины палеогена, неогена и четвертичной системы, особенно мелководных фаций, и элювий-делювий этих пород.
Более сильно подвержены усадке и набуханию высокодисперсные глины средней и высокой степени литификации, обладающие обратимыми коагуляционными и стабилизационными структурными связями.
Как правило, содержание в них частиц мельче 0,005 мм превышает 50 %, число пластичности составляет 0,28, границы раскатывания и текучести соответственно превышают 0,27 и 0,55. В составе этих глин присутствуют минералы групп гидрослюд, монтмориллонита и бейделлита;
Набухание — способность глинистых пород к увеличению своего объема во взаимодействии с водой. Набуханием называется увеличение объема грунта в процессе смачивания.
Способность к набуханию связана с гидрофильным характером глинистых минералов, слагающих связные грунты, и большой удельной поверхностью последних.
Набухание — это результат гидратации грунта которое обусловлено в основном образованием в грунте рыхлосвязанной воды. Оболочки связанной воды, формирующиеся вокруг коллоидных и глинистых частиц, уменьшают силы сцепления между ними, раздвигают их и этим вызывают увеличение объема грунта.
Набухание характеризуется влажностью (количеством воды, впитанной образцом испытуемого грунта при полном набухании), давлением, которое развивается в набухшем образце, и величиной набухания (отношением объема или высоты набухшего образца к первоначальному его объему или высоте до набухания.).
Основания, сложенные набухающими грунтами, должны проектироваться с учетом способности таких грунтов при повышении влажности увеличиваться в объеме – набухать.
При последующем понижении влажности у набухающих грунтов происходит обратный процесс – усадка».
Грунт набухающий — грунт, который при замачивании водой или другой жидкостью увеличивается в объеме и имеет относительную деформацию набухания (в условиях свободного набухания) — e_sw >= 0,04.
Относительная деформация набухания без нагрузки — e_sw, д.е. — отношение увеличения высоты образца грунта после свободного набухания в условиях невозможности бокового расширения к начальной высоте образца природной влажности. Определяется по ГОСТ 24143.
По относительной деформации набухания без нагрузки e_sw глинистые грунты подразделяют согласно таблице.
| Разновидность глинистых грунтов | Относительная деформация набухания без нагрузки e_sw, д.е. |
| Ненабухающий | менее 0,04 |
| Слабонабухающий | от 0,04 до 0,08 |
| Средненабухающий | свыше. 0,08 до 0,12 |
| Сильнонабухающий | свыше 0,12 |
Для набухающих грунтов, при проектировании на них, зданий и сооружений, необходимо учитывать распространение и условия залегания, их мощность, минеральный и литологический состав, строение (наличие карманов, линз и прослоек пылеватого и песчаного материала); структурно-текстурные особенности, условия залегания покрывающих и подстилающих грунтов; величину раскрытия, глубину и направление распространения усадочных трещин, мощность зоны трещиноватости; относительное набухание (свободное и под нагрузками); влажность грунта после набухания; давление набухания; линейную и объемную усадку грунта; влажность на пределе усадки; оценку изменения свойств набухающих грунтов при строительстве и эксплуатации объектов.
Фундаменты на набухающих грунтах
Фундаменты на набухающих грунтах
Понятие
Набухающие грунты – это один из видов структурно-неустойчивых грунтов. Следовательно, им присуща способность к резкому снижению прочности структурных связей между частицами при определенных воздействиях во время строительства и эксплуатации зданий и сооружений. Таким воздействием является замачивание грунтов водой и особенно растворами серной кислоты.
К набухающим относят глинистые грунты с большим содержанием гидрофильных глинистых минералов (монтмориллонит) и малой влажностью в природном состоянии (W Распространение
Набухающие грунты имеют широкое распространение. Такие грунты распространены в Египте, Бирме, США, ЮАР, а в Индии более 30% территории занимают так называемые хлопковые почвы. В странах СНГ такие грунты встречаются в Казахстане, Грузии, Азербайджане, Украине, России (Поволжье, Северный Кавказ и других районах). Распространены набухающие грунты в равнинах, реже в предгорных районах, и приурочены к зонам сухих степей и полупустынь. Для районов развития набухающих грунтов характерно незначительное количество атмосферных осадков, общий дефицит влажности воздуха, продолжительные засушливые периоды в летнее время. По условиям залегания набухающие грунты в отличие от лессовых пород могут занимать не только покровное положение, но и располагаться на значительной глубине от поверхности земли. Мощность набухающих грунтов колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров.
Причины набухания
Анализ деформаций различных зданий и сооружений, а также натурные наблюдения, проведенные в нашей стране и за рубежом, позволили установить, что набухание и усадка грунтов происходят в результате:
— техногенного замачивания (утечки из водонесущих коммуникаций, фильтрация воды из каналов);
— повышение уровня подземных вод
— сезонного изменения влажности набухающих грунтов под влиянием климатических факторов;
— изменение условий испарения влаги после застройки и асфальтирования территории.
Некоторые грунты, не обладающие способностью к набуханию при их замачивании природной водой, приобретают свойства набухать при увлажнении их растворами солей, представляющими собой технологические отходы химических, металлургических и других предприятий. Это явление часто называют «химическим набуханием».
Расчет деформаций
Поскольку набухающие грунты обладают особыми свойствами, для них кроме обычных физико-механических характеристик определяются специальные характеристики набухания и усадки. Наиболее часто в расчетах используют следующие показатели.
Относительное набухание — исследуется в компрессионных приборах по различным методикам. Часто используемый метод одной кривой заключается в том, что образец грунта природной влажности нагружается давлением р, после чего производят замачивание образца и измеряют абсолютную величину набухания.
Относительное набухание определяют при различных уплотняющих давлениях р и вычисляют по формуле: εsw = (h’- h) / h,
где h —высота образца грунта природного состояния, обжатого давлением р; h’ —то же, после набухания образца.
По относительному набуханию εsw, определяемому для не обжатого образца, т. е. при р= 0, грунты классифицируются следующим образом: ненабухающие при εsw 0,12.
Ответственным этапом при проектировании фундаментов на набухающих грунтах является расчетный прогноз деформаций оснований. На основе этих расчетов определяют абсолютные значения подъема отдельных фундаментов и их относительные вертикальные смещения, которые не должны превышать предельных значений.
Подъем основания при набухании грунта hsw определяют методом послойного суммирования.
Для расчета необходимо построить эпюры природных напряжений σzg, дополнительных напряжений от фундаментаσzp и дополнительных давлений σz,ad.
При местном замачивании основания процесс набухания в увлажненной зоне встречает противодействие от веса незамоченного грунта за ее пределами, что учитывается введением в расчет дополнительных давлений σz, зависящих от размеров и формы зоны замачивания и вычисляемых по формуле
σz, ad = kg γ (d + z)
Формула для вычисления подъема основания имеет вид:
hsw =∑ εsw, hi ksw, i
где εsw, i — относительное набухание грунта i-го слоя, соответствующее суммарному напряжению σz, tot в слое; hi— толщина i-го слоя; ksw, i —коэффициент, принимаемый равным 0,8 при z, tot = 50 кПа и 0,6 при z, tot = 300 кПа, а при промежуточных значениях z, tot — по интерполяции.
Если расчетные деформации набухания hsw превышают предельные значения su, применяют различные мероприятия, снижающие или полностью исключающие деформации, вызванные набуханием, или уменьшающие их неравномерность до заданных пределов.
Меры по снижению деформаций
Казалось бы, при строительстве на набухающих грунтах рациональней использовать свайный или глубокий фундаменты, но данные фундаменты не выгодно использовать при малоэтажном строительстве. В данном случае возможно использование ленточного или столбчатого фундамента, но тогда для обеспечения надежной эксплуатации зданий и сооружений на набухающих грунтах применяют комплекс различных мер:
— водозащитные мероприятия для предотвращения локального замачивания грунтов основания;
-предварительное замачивание
— замена набухающего грунта местным ненабухающим, уплотненным до заданной плотности;
— применение компенсирующих подушек, выравнивающих неравномерности подъема ленточных фундаментов при локальном замачивании основания;
— полная или частичная прорезка набухающего грунта свайными фундаментами.
— конструктивные мероприятия
Водозащитные мероприятия. Для предупреждения проникания воды или химических растворов в грунтовое основание устраивают отмостки вокруг зданий шириной 2…3 м, применяют водонепроницаемые экраны под всем сооружением из полимерных материалов либо из асфальта, заключают водопроводные и канализационные трубы в специальные железобетонные лотки и т. п. При этом следует иметь в виду, что маловлажные набухающие грунты иногда рассечены большим количеством усадочных трещин, по которым вода может легко проникать в грунтовое основание.
Предварительное замачивание применяют при небольших толщах набухающих грунтов. Сущность этого метода состоит в том, что до начала строительства грунта основания увлажняется искусственным путем с тем, чтобы произошло разуплотнение грунта в пределах всей или части набухающей толщи. На подготовленном путём замачивания основании возводится сооружение. Предварительное замачивание нельзя использовать, если во время эксплуатации может произойти высушивание грунта (например, в основании нагревательных печей и т. п.), что приведет к усадочным деформациям. Замачивание осуществляется через скважины диаметром 89…276 мм, располагаемые в шахматном порядке через 2…5 м друг от друга. Глубину скважин принимают на 0,5 м меньше расчетной глубины замачивания. Скважины засыпаются песком, гравием или дробленым кислым шлаком. При замачивании ведется наблюдение за деформациями поверхности основания.
Грунтовые подушки применяют для замены всей или части толщи набухающих грунтов. При частичной замене толщину подушек назначают из условия, чтобы подъем фундамента в результате набухания оставшегося слоя набухающих грунтов находился в допустимых пределах. Материалом грунтовых подушек могут служить пылевато-глинистые ненабухающие грунты.
Компенсирующие подушки применяют для уменьшения неравномерности подъема фундаментов при локальном замачивании. Их устраивают из любых, кроме пылеватых, песков на кровле или в пределах толщи набухающих грунтов преимущественно под ленточные фундаменты шириной до 1,5 м, давление по подошве которых составляет менее 0,1 МПа.
Принцип работы компенсирующей подушки состоит в следующем. В связи с тем, что ширина песчаной подушки превышает ширину фундамента, при набухании грунтов происходит выпирание песка между фундаментом и стенкой траншеи. Поэтому при подъеме дна такой траншеи песок вокруг фундамента поднимается, а сам фундамент остается практически неподвижным.
Прорезка набухающих грунтов свайными фундаментами и глубокими опорами эффективна, если толща набухающих грунтов не превышает 12 м. При набухании грунтов возникают силы набухания, направленные вверх и действующие по части боковой поверхности свай, расположенной в пределах толщи набухающих грунтов. Эти силы стремятся поднять сваи вверх. Для исключения подъема длина свай должна быть назначена таким образом, чтобы указанные силы были меньше, чем сумма нагрузок от сооружения и силы сопротивления по боковой поверхности в нижней части свай, заглубленной в ненабухающие грунты. Для увеличения сил сопротивления в заделанной части свай можно применять винтовые сваи или сваи с уширенной пятой.
К конструктивным мероприятиям относится увеличение жесткости зданий путем разбивки их на отдельные отсеки. Крупнопанельные здания, наиболее чувствительные к неравномерным подъемам, следует разделять осадочными швами на отсеки длиной не более 30 м. Увеличение прочности достигается введением армированных поясов толщиной не менее 15 см, устраиваемых в нескольких уровнях по высоте. При использовании набухающих грунтов в качестве естественных оснований необходимо проектировать фундаменты с наибольшим возможным давлением по подошве. Поэтому следует отдавать предпочтение ленточным и столбчатым фундаментам, устраивая фундаменты в виде плит и перекрестных лент только в тех сооружениях, где это обусловлено их конструктивной схемой.
Заключение
Увеличение влажности набухающих грунтов приводит к подъему расположенных в них фундаментов и развитию отрицательного (негативного) трения в случае свайных фундаментов. Профессор Сорочан приводит примеры, когда подъем некоторых конструкций при набухании грунтов основания достигал 580 мм. Усадка грунта после высыхания вызывает осадку сооружений. В ряде случаев представляет опасность также и горизонтальное давление набухания на подземные элементы конструкций.
Так что строительство на набухающих грунтах – это серьезная и актуальная проблема. Недооценка их набухания явилась причиной повреждения многих промышленных и гражданских зданий и сооружений.
Одним из печально известных случаев – обрушение 5-этажного жилого дома в г. Караганда, Казахстан.
Многоквартирный жилой дом, возведенный за счет средств участников долевого строительства, был сдан в эксплуатацию в 2009 году.
1 апреля 2012г., в доме произошло обрушение строительных несущих конструкций, на стенах помещений образовались трещины, здание начало крениться. Из аварийного дома были переселены 138 человек.
6 апреля дом рухнул. По заключениям экспертных организаций основной причиной обрушения части существующего дома явилось отсутствие мероприятий по выполнению требований, исключающих проявление и предотвращение влияния набухающих свойств грунтов на устойчивость здания.
В результате, весь новый жилой комплекс «Бесоба» был снесен.
Несмотря на то, что процессы набухания существенно осложняют строительство и эксплуатацию зданий и сооружений, районы их распространения интенсивно осваиваются. Это объясняется дефицитом свободных территорий для строительства, темпы которого в последнее время показывают тенденции к росту.