Проектирование фундаментов в слабых водонасыщенных глинистых грунтах
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
«Проектирование фундаментов в слабых водонасыщенных глинистых грунтах»
по дисциплине «Проектирование фундаментов подземных сооружений в сложных геологических условиях»
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Структурно-неустойчивыми называют такие грунты, которые обладают способностью изменять свои структурные свойства под влиянием внешних воздействий с развитием значительных осадок, протекающих, как правило, с большой скоростью.
Внешние воздействия, обусловливающие разрушение структуры грунтов, подразделяют на физические и механические. Увлажнение грунтов, их промерзание и оттаивание, суффозия и выветривание рассматриваются как основные виды физического воздействия. К механическим относятся передача внешней нагрузки, перемятие грунтов, воздействие на грунт динамическими импульсами.
К структурно-неустойчивым относятся слабые сильно сжимаемые глинистые грунты, лессовые просадочные, водонасыщенные биогенные, засоленные, набухающие и вечномерзлые грунты. Они используются в качестве оснований зданий и сооружений при условии учета возможного нарушения структуры и развития значительных и неравномерных осадок.
В данной контрольной работе рассматриваются особенности проектирования фундаментов на слабых водонасыщенных глинистых грунтах.
- Слабые водонасыщенные глинистые грунты
К слабым водонасыщенным относятся глинистые грунты различного происхождения (аллювиальные, морские) с модулем общей деформации грунтов Е ≤ 5 МПа (при изменении давления до 0,3 МПа) и степенью влажности Sr>0,8 (более 80% пор заполнены водой). Такими являются илы, ленточные глинистые отложения, водонасыщенные лессовые макропористые грунты. К слабым можно отнести и водонасыщенные биогенные грунты (заторфованные, торфы и сапропели). Присутствие в таких грунтах большого количества органических веществ (более 10%) обусловливает ряд специфических свойств, поэтому изучение этих грунтов нужно проводить по специальной методике.
Рассматриваемые грунты характеризуются следующими особенностями, специфичными вообще для слабых грунтов:
1) обладают большой и неравномерной сжимаемостью; возведенные на таких грунтах здания и сооружения претерпевают большие осадки;
2) слабые водонасыщенные глинистые грунты имеют низкую прочность; определенные по методике быстрого сдвига значения угла внутреннего трения и удельного сцепления составляют соответственно 4...10° и 0,006...0,025 МПа;
3) процесс уплотнения
слабых водонасыщенных
4) структурные
свойства слабых
Слабые водонасыщенные глинистые грунты занимают 11 % общей территории РФ. Большая часть их располагается вдоль рек, морей и озер. По условиям образования они подразделяются на морские грунты, глинистые грунты озерного, речного, аллювиального и пролювиального происхождения.
Биогенные грунты
по характеру залегания
Морские грунты широко распространены в районе Беломоро-Балтийского бассейна, слагают большую часть Ледовитого океана, бассейна нижнего течения Печоры, Северной Двины. Слабые глинистые грунты морского происхождения распространены на территории Западной Сибири, Урала, на Чукотском и Охотском побережьях, Сахалине. В южных районах нашей страны морские глинистые отложения распространены на территории Черноморского бассейна, Таманском и Керченском полуостровах, Азовском побережье. Водонасыщенные глинистые грунты занимают территорию дельты Волги, Амударьи, Оби, Енисея и др.
За последние годы строительство на слабых водонасыщенных глинистых грунтах приобрело большой размах в связи с ограничением использования пахотных земель для строительства зданий и сооружений. Поэтому проблема строительства на этих грунтах становится особенно актуальной.
Физико-механические свойства слабых водонасыщенных глинистых грунтов определяются рядом факторов (минералогический, химический состав, природное состояние и др.).
Деформационные свойства этих грунтов характеризуются модулем деформации грунтов и коэффициентом бокового расширения (коэффициентом Пуассона). Модуль общей деформации рекомендуется определять в полевых условиях жесткими круглыми штампами площадью 1 тыс. см2, а время испытаний назначается до полной стабилизации осадки. Достоверность таких испытаний проверяется опытами на штампах площадью 10 тыс. см2. В лабораторных условиях испытания сжимаемости слабых глинистых грунтов проводят на компрессионных приборах и приборах трехосного сжатия. С учетом текучести и подвижности биогенных грунтов и илов компрессионные испытания следует проводить малыми ступенями нагрузок (0,0025, 0,005 МПа). За условную стабилизацию следует принимать приращение вертикальной деформации образца 0,01 мм за 24 ч наблюдений.
Исследование
сжимаемости слабых водонасыщенных
глинистых грунтов
Структурная прочность сжатия является важной величиной и зависит от статического или динамического воздействия на грунт. Она зачастую используется в расчетах консолидации слабых грунтов, при проектировании дрен, песчаных подушек, песчаных свай и др.
Коэффициент бокового давления также зависит от напряженного состояния. При внешнем давлении, меньшим структурной прочности сжатия, коэффициент бокового давления не превышает 0,1. С превышением внешнего давления на 20 % над структурной прочностью коэффициент бокового давления возрастает до 0,43...0,56. Дальнейший рост давления на образец до 0,25МПа вызывает увеличение коэффициента бокового давления до 0,84.
Исследования
прочностных характеристик
На стадии проектного задания необходимо проводить предварительные расчеты консолидации слабых глинистых грунтов на различной глубине. Если эти грунты имеют небольшую толщину, то прочностные характеристики следует определять по методике нормально уплотненных образцов. Для водонасыщенных глинистых грунтов, которые подвергались вначале большому давлению с последующим снятием этого давления, сопротивление сдвигу следует определять на переуплотненных образцах. При большой мощности слабых водонасыщенных глинистых грунтов (более 5 м) прочностные характеристики определяются на недоуплотненных образцах. На стадии рабочих чертежей испытания грунтов на сдвиг для расчетов оснований производятся с учетом реальной степени консолидации грунта.
Фильтрационные свойства слабых водонасыщенных глинистых грунтов обладают рядом особенностей. В частности, фильтрация воды у многих видов слабых глинистых грунтов отличается от закономерности, определяемой законом Дарси (начальный градиент напора). В процессе уплотнения таких грунтов существенно изменяются коэффициент и начальный градиент напора. При этом коэффициент фильтрации и коэффициент пористости связаны логарифмической зависимостью.
В зависимости
от структурных свойств слабых водонасыщенных
глинистых грунтов и
С учетом этих особенностей в процессе исследований фильтрационных свойств водонасыщенных глинистых грунтов необходимо установить коэффициент фильтрации и начальный градиент напора для образцов естественной пористости после уплотнения его давлением 0,3...0,5 МПа, а также при горизонтальном движении воды через образец. Необходимо также установить изменения этих характеристик в течение длительного времени.
Для ряда зданий и сооружений допускаются незначительные по величине осадки (статически неопределимые системы и др.), поэтому прогноз их развития должен выполняться с большой точностью. В связи с этим необходимо учитывать процессы ползучести, которые имеют место при сжатии водонасыщенных глинистых грунтов.
Общая величина осадки образца подразделяется на часть осадки, скорость которой описывается теорией фильтрационной консолидации, и вторую часть, у которой скорость изменения деформации описывается процессами вторичной консолидации.
Опыты показали,
что у некоторых видов
При проведении инженерных геологических изысканий площадок, сложенных водонасыщенными биогенными грунтами, необходимо установить характер их залегания в плане и по глубине, а также содержание органического вещества Jom и степень разложения органического вещества Dpd в торфах. Прочностные характеристики этих грунтов определяются по результатам сдвиговых испытаний образцов в условиях завершенной консолидации или на приборах трехосного сжатия по методике консолидированно-дренированных опытов.
Характеристики
деформируемости биогенных
При расчете оснований, сложенных биогенными грунтами и илами, по первой и второй группе предельных состояний необходимо использовать расчетные характеристики, определяемые, как правило, на основе полевых или лабораторных опытов. Ориентировочные расчеты могут выполняться с использованием табличных значений характеристик физико-механических свойств сапропелей, илов или торфов.
- Методы строительства зданий и сооружений на водонасыщенных слабых глинистых грунтах
При строительстве, промышленных и гражданских зданий в большинстве случаев идут на создание искусственных оснований путем уплотнения слабых водонасыщенных глинистых грунтов.
Если такие грунты имеют мощность до 12 м и подстилаются прочными породами, то в таких случаях применяются сваи с полной прорезкой слабых водонасыщенных глинистых грунтов с опиранием на прочные породы.
Искусственные основания при строительстве зданий и сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах создаются зачастую в виде песчаных подушек толщиной до 7 м при наиболее часто повторяющихся толщинах 1...2 м.
Песчаные подушки позволяют уменьшить глубину заложения фундаментов и распределить давление на площадь большую, чем подошва фундамента. Это дает возможность передать давление на слабые грунты значительно меньшей величины, чем давление на грунты под подошвой фундамента (рис: 2.1).
Рис. 2.1. Схема песчаной подушки
В большинстве случаев устройство сплошной песчаной подушки под отдельно стоящие или ленточные фундаменты позволяет уменьшить общую величину осадок — значительно снизить ее неравномерность.
Особо возрастает роль песчаной подушки в качестве дренирующего слоя. В этом случае под действием внешней нагрузки происходит отжатие поровой воды и процесс консолидации водонасыщенных слабых грунтов значительно ускоряется.
Песчаные подушки отсыпаются чаще всего из среднезернистых и крупнозернистых песков, щебня, гравия, гравийно-песчаной смеси.
Расчет песчаной подушки состоит в определении ее размеров (высоты, горизонтальных размеров), проверки устойчивости на действие горизонтальных сил. Вначале по данным гранулометрического состава песка и возможных методов его уплотнения в теле песчаной подушки находят коэффициент пористости и модуль общей деформации.
Высоту песчаной подушки определяют из следующих условий:
где — вертикальное напряжение на слабый слой грунта от внешней нагрузки по подошве песчаной подушки; — вертикальное напряжение от собственного веса грунта, приходящееся на слабый слой грунта в основании песчаной подушки; s — совместная деформация основания и сооружения, определяемая по СНиП 2.02.01—83; su — предельное значение совместной деформации основания здания и сооружения в соответствии со СНиПом.
Для построения эпюры распределения напряжений под подошвой фундамента используется решение теории упругости для жесткого штампа. Если модуль общей деформации слабого грунта отличается от модуля деформации песчаного грунта более чем в 5 раз, следует использовать решение К. Е. Егорова для двухслойного основания.
Рис. 2.2. Вертикальные песчаные дрены:
1 — плотный грунт. 2 — насыпь, 3-песчаная подушка.
4 — дрены
Размеры песчаной подушки в плане проверяются путем оценки устойчивости подушки на действие горизонтальных сил. Устойчивость песчаной подушки определяют путем сравнения величин активного давления F% (за счет давления от фундамента и песчаного грунта подушки) и пассивного давления Fk, которое может воспринять слабый слой грунта. Необходимо, чтобы выдерживалось условие:
Ширину подушки понизу b + 2Со (см. рис. 2.1) определяют из контура, ограниченного изобарами напряжений. Величина Со принимается равной 0,1 ...0,3, но не более 0,5 м.
Согласно теории фильтрационной консолидации, время уплотнения водонасыщенного глинистого грунта прямо пропорционально квадрату расстояния до дренажной поверхности.
Для сокращения расстояния движения отжимаемой воды из глинистого слоя и, следовательно, уменьшения времени уплотнения грунтов основания принимают вертикальные песчаные дрены.
Их выполняют на глубину до 20 м на расстоянии 2,5 м друг от друга диаметром 400...600 мм (рис. 2.2). План расположения дрен, их сечение и шаг определяются расчетом из условия 90 % консолидации основания; он зависит от сроков уплотнения строительной площадки. При прорезке дренами уплотняемых грунтов или наличия песчаной подушки консолидация происходит за счет отжатия поровой воды в дрену и дренирующий слой. Диаметр зоны влияния dc в этом случае равен 1,05d (d— шаг дрен).
Вертикальные дрены объединяются поверху песчаной подушкой толщиной 0,6... 1 м, которая служит горизонтальным дренажем для отвода отжатой поровой воды из вертикальных песчаных дрен. Для отжатия воды в песчаные дрены устраивают пригрузочную насыпь.
Песчаные дрены
выполняют путем погружения с
помощью башенных копров пустотелых
цельнотянутых металлических
Дрены из искусственных материалов применяют в районах, где отсутствуют песчаные грунты для устройства вертикальных песчаных дрен. Следует учесть и то, что устройство песчаных дрен сопряжено с необходимостью добычи большого объема песка и транспортирования его зачастую на большие расстояния, с устройством складов песка на строительной площадке, многодельными работами по устройству самих дрен и т. д.
Поэтому в ряде случаев применение дрен из искусственных материалов является более экономичным вариантом вместо песчаных дрен.
Картонные дрены изготовляют из непроклеенного трехслойного картона с поперечным сечением 3х100 мм и площадью поперечного сечения проходящих внутренних каналов 3 мм2 (рис. 2.3).
Для предохранения картонной дрены от разъедания бактериями картон пропитывают раствором солей мышьяка. Коэффициент фильтрации картонной дрены из пропитанного картона составляет 10-3...10-1 см/с, что в 100...1000 раз больше коэффициентов фильтрации большинства слабых водонасыщенных глинистых грунтов основания.
Картонные дрены изготовляют в виде сплошных лент длиной 400 м с массой 1 м дрены 200 г. Они легко наматываются на барабаны и могут доставляться в собранном виде на значительные расстояния. Достоинством картонных дрен является возможность заводского изготовления, долговечность в эксплуатации, высокая производительность установки в грунтовый массив.
Кроме картонных дрены могут изготовляться также из пластмассовых, бумажных материалов и тканей.
Рис. 2.3. Картонные дрены
Песчаные сваи устраивают путем забивки в грунт металлической трубы с закрытым концом с последующим заполнением полости тщательно уплотненным песчаным грунтом. Вокруг ствола сваи образуется уплотненная зона слабого грунта за счет его смещения в окружающую область. При устройстве песчаной сваи диаметром 40...50 см образуется зона уплотненного грунта толщиной до 1,5 м от центра сваи. Поэтому песчаная свая является, по сути, песчаной дреной, но с уплотненной вокруг нее зоной местного грунта. Для ускорения консолидации слабого грунта с песчаными сваями нет необходимости устраивать пригру-зочную насыпь. За счет забивки металлической трубы в уплотненной зоне возникают большие напряжения (до 0,8 МПа), которые воспринимаются поровой водой. Это обусловливает в ней избыточное давление, и вода отжимается в песчаную сваю.
После устройства основания с песчаными сваями внешняя нагрузка, передаваемая фундаментом, воспринимается песчаными сваями и уплотненным окружающим грунтом. Устройство вертикальных песчаных сваи позволяет увеличить модуль общей деформации слабого водонасыщенного глинистого грунта (рис. 2.4).
Песчаные сваи устраивают так же, как и песчаные дрены, с той лишь разницей, что у свай песчаный грунт тщательно уплотняют. Для этого после устройства песчаной сваи и извлечения металлической трубы с самораскрывающимся башмаком трубу вновь погружают в тело устроенной сваи. Считается нормальным, если труба при повторном погружении опускается до глубины, равной 0,8 длины песчаной сваи. Далее снова засыпают песок и снова уплотняют. В конечном итоге при диаметре песчаных свай 40...50 см до уплотнения образуется песчаная свая диаметром 60...70 см после уплотнения. Такой способ устройства гарантирует сплошность песчаной сваи по всей ее длине.
После устройства песчаных свай над ними выполняют песчаную подушку толщиной 50 см.
Для заполнения
свай лучше использовать песок средней
крупности или крупный с
Известковые сваи устраивают для уплотнения слабых водонасыщенных глинистых грунтов. Для этого в толще слабых грунтов устраивают скважины диаметром 32...50 см. Скважины чаще проходят с обсадными трубами для сохранения вертикальности откосов. В грунтах, где вертикальность откоса обеспечивается окружающим грунтом, проходка скважин осуществляется без обсадных труб.
Скважины заполняют негашеной комовой известью таким образом, чтобы внутри трубы толщина слоя извести оставалась не менее 1 м. Далее в трубу опускается трамбовка массой 300...400 кг и производится уплотнение извести. При таком способе происходит многоразовое уплотнение слабого грунта. Вначале грунт уплотняется при погружении обсадной трубы, затем — после трамбования извести. И наконец, при взаимодействии негашеной комовой извести с поровой водой происходит ее гашение, что приводит к увеличению диаметра известковой сваи на 60...80 % и дополнительному уплотнению слабого водонасыщенного глинистого грунта. Так как гашение извести сопровождается выделением большого количества тепла, то под воздействием высокой температуры (300 °С) теряется большое количество поровой воды, и влажность окружающего грунта уменьшается. При этом прочностные и деформационные характеристики водонасыщенных слабых грунтов улучшаются. Так как, степень влажности окружающего грунта уменьшается, то при ее значении, равном 0,7, можно уплотнять грунты тяжелыми трамбовками. Обычно над слоем уплотненного слабого грунта отсыпают слой из местного грунта толщиной 1,5...3,0 м и уплотняют тяжелыми трамбовками. Следует иметь в виду, что для изготовления известковых свай необходимо применять известь с активностью более 75 %.
Рис. 2.4. График изменения
осадки s от нагрузки р:
1 — уплотненный грунт, 2 — неуплотненный грунт
Дренирующие прорези выполняют при устройстве сооружений большой площади на слое водонасыщенных слабых глинистых грунтов толщиной до 7 м. Они оказываются более экономичными вместо многочисленных вертикальных песчаных дрен.
Дренирующие прорези выполняют при устройстве сооружений большой площади на слое водонасыщенных слабых глинистых грунтов толщиной до 7 м. Они оказываются более экономичными вместо многочисленных вертикальных песчаных дрен.
Вертикальные дренирующие прорези устраивают в виде траншей шириной 60...80 см и глубиной до 5,5 м (рис. 2.5). Траншеи полностью заполняются песком, над прорезями отсыпается горизонтальная песчаная подушка. Устройство вертикальных дренажных прорезей стало возможно в связи с применением в СССР и за рубежом цепных (глубина отрывки траншеи составляет 7,5 м) и роторных экскаваторов (глубина отрывки 3,5 м).
Открытые траншеи засыпаются песком или песчано-гравийной смесью различными механизмами — бульдозерами, авто- или тракторопогрузчиками, самосвалами. Наиболее эффективными являются одноковшовые тракторные автопогрузчики.
Рис. 7.5. Вертикальные дренажные прорези: 1 — песчаная подушка; 2 — дренажные прорези
Сплошные дренажные прорези требуют значительно большего количества песка, чем вертикальные песчаные дрены. Поэтому они устраиваются в тех районах, где дренирующий грунт (песок, песчано-гравийные смеси) является местным материалом и имеет низкую стоимость. С учетом накопленного опыта можно рекомендовать применение вертикального сплошного дренажа при толщине слоя слабого водонасыщенного грунта не более 6 м или когда активная зона основания находится в пределах 6 м.
Свайные фундаменты при строительстве зданий и сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах применяются в основном при сравнительно небольшой толщине слабых грунтов (до 12 м) подстилаемыми малосжимаемыми прочными грунтами. В этом случае сваи полностью прорезают слабые грунты и опираются на прочные грунты. Такой вариант устройства свайных фундаментов позволяет уменьшить осадку проектируемого здания или сооружения. Если ставится задача увеличивать устойчивость сооружения, то сваи могут не прорезать всю толщу слабых водонасыщенных глинистых грунтов.
Расчет свайных фундаментов, в том числе и их осадок, определяется общепринятой методикой, т. е. по СНиП 2.02.03—85. Однако угол распространения давления, который принимается равным 1/4 угла внутреннего трения грунта, в данном случае определяется по методике быстрого сдвига, т. е. сдвиг образцов слабых грунтов производится в течение 5...6 мин без предварительного обжатия образцов.
Следует учесть эффект «засасывания» свай в слабых водонасыщенных грунтах.
При забивке свай в такие грунты происходит перемещение грунта вокруг сваи на расстоянии 1...2 диаметра, что сопровождается возникновением в скелете грунта напряжения и порогового давления. В этот момент несущая способность свай резко снижается. В течение определенного времени напряжения в скелете грунта снижаются, и поровое давление уменьшается до нуля. Основная доля несущей способности свай будет достигнута именно в этот момент, когда поровое давление в окружающем сваю грунте упадет до нуля. В настоящее время считается, что несущая способность сваи в слабых глинистых грунтах достигается через 6 суток после ее забивки. Эту рекомендацию следует считать весьма условной, требуется дополнительное исследование в этой области, особенно при проектировании здании и сооружений на слабых грунтах в сейсмических районах.
Несущую способность свай в слабых водонасыщенных глинистых грунтах следует определять в соответствии с рекомендациями СНиП 2.02.03—85.
При этом необходимо учитывать явление отрицательного трения, возникающее в процессе эксплуатации зданий и сооружений.
Сущность отрицательного
трения заключается в том, что
в процессе осадки окружающей грунтовой
среды по боковой поверхности
свай возникает отрицательное трение
В городских условиях отрицательное трение может возникнуть при дийамическом воздействии на слабый грунт тяжелого транспорта, оборудования предприятий. Намыв песка и подсыпка грунта при проведении планировочных работ, склады сыпучих материалов и другие длительные нагрузки приводят также к сжатию толщ водонасыщенных глинистых грунтов, развитию осадок и возникновению отрицательного трения.
Величина отрицательного трения зависит от времени и последовательности приложения нагрузок на толщу слабого грунта. Если пригрузка действует давно и процессы консолидации в слабых грунтах прекратились, отрицательное трение будет осутствовать.
Для уменьшения величины отрицательного трения применяют специальные обмазки (например, битумное покрытие), способы уменьшения прилипания слабого грунта к боковой поверхности сван (электроосмос) и др.
Экспериментальное
определение несущей
