Коэффициент пропорциональности для слабых грунтов
Коэффициент пропорциональности для слабых грунтов
Таблица 1. Классификация песчаных грунтов по гранулометрическому составу
Что такое несущая способность грунта
Далее следует таблица с указанием средних цифр несущей способности или, как её ещё называют, расчетного сопротивления разных типов грунта в кгс/см².Более точные расчеты с учётом всех коэффициентов, которые отображают влияние каждого существующего в реальных условиях фактора, можно выполнить следуя рекомендациям в нормативном своде правил за 2011 год СП 22.13330.2011 с названием Основания зданий и сооружений. Это официальное издание более старого стандарта СНиП 2.02.01-83*, выполненное научно-исследовательским институтом имени Н.М. Герсеванова.В приведенной таблице отображены усреднённые результаты расчётов, проведенных с использованием формул и данных, основанных на описанном выше своде правил 2011 года.Здесь можно видеть, что существует достаточно большой разброс в показателях сопротивления грунта. Это обусловлено в первую очередь влажностью почвы, которая непосредственно зависит от уровня залегания грунтовых вод.Если нужно получить цифры в МПа или в Н/см², то можно перевести указанные в таблице значение согласно установленным соотношениям величин.- 1 кгс/см² = 0,098 МПа или 1 МПа = 10,2 кгс/см²
- 1 кгс/см² = 9.8 Н/см² или 1 Н/см² = 0.102 кгс/см²
Мы предлагаем вам воспользоваться нашим удобным онлайн-калькулятором расчета сопротивления грунта на сжатие/сдвиг. По окончанию вычисления вы получите значение расчетного сопротивления в четырех разных единицах измерения (кПа, kH/m 2 , тс/м 2 , кгс/см 2 ). Для того чтобы получить результат расчета, вам необходимо заполнить несколько полей:
Расчет несущей способности грунта
Определение несущей способности грунта – это достаточно трудоемкий процесс, который можно выполнить подручными средствами (вручную/онлайн) или же воспользоваться услугами геолого-геодезических агенств. Если вы хотите сэкономить и выполнить расчет самостоятельно – KALK.PRO поможет вам в этом нелегком деле!Мы предлагаем вам воспользоваться нашим удобным онлайн-калькулятором расчета сопротивления грунта на сжатие/сдвиг. По окончанию вычисления вы получите значение расчетного сопротивления в четырех разных единицах измерения (кПа, kH/m 2 , тс/м 2 , кгс/см 2 ). Для того чтобы получить результат расчета, вам необходимо заполнить несколько полей:- Тип расчета. На основании лабораторных испытаний или при неизвестных характеристиках грунта.
- Характеристики грунта. Тип, коэффициент пористости и показатель текучести, а также осредненное расчетное значение удельного веса грунтов.
- Параметры фундамента. Ширина основания и глубина заложения.
Калькулятор расчетного сопротивления грунта основания
Для начала нам необходимо выбрать тип расчета. Первый вариант подразумевает, что вы получите отдадите образец грунта в специализированную лабораторию на исследование. Данный способ занимает большое количество времени и средств. Поэтому если у вас не сложный участок и вы уверены, что сможете сделать все своими силами, мы предлагаем воспользоваться вторым вариантом и выполнить расчет на основании табличных данных.Классификация грунтов
Следующий этап работ связан с определением типа грунта. Согласно СНиП 11-15—74, все виды грунтов делятся на две основные группы:Первые, представлены горными породами, метаморфического или гранитного происхождения. Встречаются в горных областях и в местах выхода основания тектонической платформы на поверхность (щиты). В нашей стране это территория Карелии и Мурманской области. Горные системы Урала, Кавказа, Алтая, Камчатки, плоскогорья Сибири и Дальнего Востока.Сопротивление скальных грунтов настолько высоко, что вы можете не производить никаких предварительных расчетов.
Нескальные грунты встречаются повсеместно на равнинах. Они подразделяются на несколько видов, а те в свою очередь на фракции:
Как определить тип грунта самостоятельно?
Существует простой дедовский способ определения типа грунта, которым пользовались ваши родители и родители ваших родителей – он заключается в выявлении физико-механических свойств породы.Для этого необходимо провести отбор проб почвы в крайних точках и в середине участка. Выкопайте ямы на глубину, предполагаемого уровня заложения фундамента и возьмите образецы грунта с каждой контрольной точки.Подготовьте рабочую поверхность, для того чтобы провести научный эксперимент.- Намочите почву до состояния, когда из нее можно будет сформировать шар.
- Попробуйте раскатать шар в продолговатое тело (шнур).
- Если у вас не получилось этого сделать, то перед вами песчаная почва.
- Если немного схватывается, но все равно разрушается – это супесь.
- Если шнур удается свернуть в кольцо, но наблюдаются разрывы/трещины – это суглинок.
- Если кольцо замкнулось, а тело осталось невредимым – это глина.
Если вам не удалось ничего сделать из образца грунта, то для вас расчет несущей способности песчаного грунта закончился. Выберите соответствующий пункт в калькуляторе и нажмите «Рассчитать«.
Методика расчета свайного куста соответствует п. п. 7.4.4 – 7.4.5 СП 24.13330.2011. При этом жесткостные характеристики сваи вычисляются автоматически в Редакторе грунта, для чего в последнем таблица задания физико-механических характеристик дополнилась четырьмя столбцами (рис. 5):
35. Расчёт свайных фундаментов в ПК ЛИРА 10.6: одиночная свая, свайный куст, условный фундамент.
То, чего долго ждали все наши пользователи, наконец свершилось: в ПК ЛИРА 10.6 появился новый конечный элемент 57 – «Свая», реализующий положения СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты». Появление этого конечного элемента значительно расширяет возможности программного комплекса, при расчёте зданий на свайных фундаментах, позволяет делать такие расчёты быстрее и точнее. Если ранее пользователям ПК ЛИРА приходилось моделировать сваи 56 КЭ, при этом их жесткость высчитывалась либо в сторонних программах, либо вручную, то теперь все сделает программа, необходимо лишь ввести исходные данные.Реализация
В ПК ЛИРА 10.6 реализованы следующие расчётные ситуации:Одиночная свая (п.п.7.4.2 – 7.4.3, СП 24.13330.2011);Свайный куст (п.п. 7.4.4 – 7.4.5, СП 24.13330.2011);Условный фундамент (п.п. 7.4.6 – 7.4.9, СП 24.13330.2011);При этом принимаются следующие допущения:— Условно принято, что несущая способность сваи обеспечена; — Грунт, на который опирается свая, рассматривается, как линейно-деформируемое полупространство; — Выполняется соотношение: (l – длина, d — приведенный диаметр ствола сваи).Реализованы следующие типы свай (рис. 1):При этом конец сваи может быть, как заостренным, так и булавовидным.
Рис. 1. Типы свай. ПК ЛИРА 10.6
Расчёт одиночной сваи
Для каждой сваи, будь она одиночной или в составе куста/условного фундамента, задаются следующие параметры (рис. 2):- Длина сваи
- Количество участков разбиения – чем больше это число, тем точнее производится расчет
- Модуль упругости ствола – характеристика материала из которого изготовлена свая;
- Коэффициент Пуассона материала;
- Глубина от поверхности земли, на которой не учитывается сопротивление грунта по боковой поверхности (при сейсмических воздействиях).
- Объёмный вес материала сваи.
Рис. 2. Задание параметров сваи. ПК ЛИРА 10.6Параметры расчёта для одиночной сваи задаются при нажатии на кнопку «Вычисление жесткости одиночной сваи» (Рис. 3).
Рис. 3. Параметры для вычисления жесткости сваи. ПК ЛИРА 10.6При этом боковой коэффициент постели на поверхность сваи вычисляется по формуле:
, где К — коэффициент пропорциональности, принимаемый в зависимости от вида грунта, окружающего сваю (Приложение В, таблица В.1); γс — коэффициент условий работы грунта. Для одиночной сваи γс =3.Расчёт осадки одиночной сваи производится в соответствии с СП 24.13330.2011: для сваи без уширения по п. 7.4.2 а, для сваи с уширением по п. 7.4.2 б.
Расчёт свайного куста
Для создания свайного куста необходимо вызвать команду «Группы свай», которая находится на панели инструментов либо в пункте меню «Назначения». Для задания свайного куста необходимо выделить группу свай, которая будет входить в куст и нажать на кнопку «Добавить свайный куст» (рис. 4).Рис. 4. Задание свайного куста. ПК ЛИРА 10.6Методика расчета свайного куста соответствует п. п. 7.4.4 – 7.4.5 СП 24.13330.2011. При этом жесткостные характеристики сваи вычисляются автоматически в Редакторе грунта, для чего в последнем таблица задания физико-механических характеристик дополнилась четырьмя столбцами (рис. 5):Показатель текучести «IL» для пылевато-глинистых грунтов;Коэффициент пористости «e» для песчаных грунтов;Коэффициент пропорциональности «К», который можно задать численно, либо интерполировать выбором грунта из колонки «Тип грунта для свайного основания»;
Рис. 5. Таблица физико-механических характеристик ИГЭ. ПК ЛИРА 10.6В параметрах расчёта (рис. 6) появилась новая вкладка – «Сваи», в которой указываются необходимые для расчёта параметры:k — коэффициент глубины под пятой (п.7.4.3 СП 24.13330.2011);γc — коэффициент условий работы для расчета свай на совместное действие вертикальной и горизонтальной сил и момента (п. В.2, Приложение 2, СП 24.13330.2011);γс а — коэффициент уплотнения грунта при погружении сваи, учитывается для понижения коэффициента пропорциональности К при работе свай в составе куста (п. В.2, Приложение 2, СП 24.13330.2011).
Рис. 6. Вкладка расчёт свай. ПК ЛИРА 10.6Расчет осадки Свайного куста производится согласно п. п. 7.4.4 — 7.4.5 СП 24.13330.2011. При расчете осадок группы свай учитывается их взаимное влияние. Расчет коэффициента постели Сz грунта на боковой поверхности сваи, с учетом влияния свай в кусте, производится, как для одиночной сваи, но коэффициент пропорциональности К умножается на понижающий коэффициент αi.Взаимное влияние осадок кустов свай учитывается так же, как при расчете условных фундаментов. Расчет жесткостей свай в свайных кустах происходит по той же методике, что и для одиночных свай, но с учетом их взаимовлияния как в кусте, так и между кустами.
Расчет условного фундамента
Задание условного фундамента от свайного куста отличается лишь тем, что в «Группе свай» выбирается пункт «Условный фундамент». Также необходимо задать дополнительно Аcf — площадь условного фундамента и способ расстановки свай — рядовой или шахматный.Геологические условия, а также физико-механические характеристики грунтов основания задаются в Редакторе грунта.Полная осадка свайного поля фундамента определяется по формуле:Где: — осадка условного фундамента,
— дополнительная осадка за счет продавливания свай на уровне подошвы условного фундамента,
—дополнительная осадка за счет сжатия ствола сваи.
Дополнительная осадка за счет сжатия ствола сваи — вычисляется по формуле:
Нахождение осадки условного фундамента, а также расчет взаимовлияния групп свай (в том числе и свайных кустов) возможно производить по аналогии с плитными фундаментами по 3-м различным методам:Метод 1 — модель основания Пастернака,Метод 2 — модель основания Винклера-Фусса,
Рис. 7. Назначение сваям начальной нагрузки. ПК ЛИРА 10.6После расчёта в модуле Грунт, вызвав функцию «Анализ модели», можно отследить осадки, жесткости, и прочие параметры свай и грунта (рис. 8).
Рис.8. Визуализация расчёта. ПК ЛИРА 10.6Таким образом, мы рассмотрели новую функцию, появившуюся в ПК ЛИРА 10.6, которая позволяет рассчитывать здания на свайных фундаментах.
длительное сопротивление суглинка пылеватого; 6 – песок;
Общую просадку грунтов основания устанавливают по формуле
Главная > Документ
| Информация о документе | |
| Дата добавления: | |
| Размер: | |
| Доступные форматы для скачивания: |
относительной просадочностью – относительным сжатием грунтов при заданном давлении;
начальным просадочным давлением – минимальным давлением, при котором наблюдается просадка;
начальной просадочной влажностью– минимальной влажностью, при которой возникает просадка.
Просадку грунта необходимо учитывать, если его относительная просадочность .Просадочные грунты подразделяются на два типа. В грунтах I-го типа возможна просадка грунтов от внешней нагрузки, а просадка от собственного веса грунта отсутствует или не превышает 5 см, в грунтах II-го типа, кроме просадки от внешней нагрузки, возможна просадка грунтов от собственного веса, величина которой превышает 5 см.Замачивание грунта может происходить сверху талыми и дождевыми водами, а также вследствие неисправности водопроводящих систем. Замачивание снизу происходит при подъеме уровня подземных вод.Относительную просадочность грунта определяют с помощьюкомпрессионных приборов, обеспечивающих его сжатие без бокового расширения, по формуле
, (16.1)
где и – соответственно высота образца природной влажности и влажности после полного водонасыщения при давлении, равном вертикальному напряжению от внешней нагрузки и собственного веса грунта: ; – высота образца природной влажности, уплотненного давлением .
Общую просадку грунтов основания устанавливают по формуле
. (16.2)
Здесь n – число слоев в просадочной толще; – относительная просадочность i -го слоя грунта; – коэффициент, корректирующий расчет.
При b 12 м ; при b 3 м находят по формуле
, (16.3)
где P – среднее давление под подошвой фундамента, кПа; – начальное просадочное давление i -го слоя, кПа; – давление, равное 100 кПа; — ширина фундамента.
Для промежуточных значений ширины фундамента ( 3 м b ≤ 12 м ) коэффициент определяют по интерполяции.Мероприятия, направленные на устранение просадочных свойств основания или снижение степени их влияния на строительный объект, сводятся к уплотнению грунтов тяжелыми трамбовками и грунтовыми сваями, устройству грунтовых подушек и вытрамбованых котлованов.При значительных площадях, отводимых под застройку, применяют способ предварительного замачивания грунта в котлованах.Если просадочная толща подстилается плотными грунтами, тогда возможна прорезка просадочных слоев сваями.Хорошо зарекомендовал себя метод устранения просадок грунтов посредством снижения давления, передаваемого на просадочный грунт, до величины начального просадочного давления, если оно имеет значительную величину. В этом случае необходимо построить эпюры распределения по глубине дополнительного и природного давлений вдоль вертикальной оси, проходящей через центр фундамента, а также эпюру распределения начального просадочного давления с глубиной (рис.16.1).
В пределах просадочной толщи сопоставляют значения и . Если имеет место условие , то исходные размеры фундамента принимают окончательно. В противном случае ( а – инвентарная труба в грунте; б – формирование грунтовой сваи;в – трамбовка; 1 – ствол инвентарной трубы; 2 – шарниры; 3 – створки в закрытом положении; 4 – стопорное кольцо; 5 – проушина;6 – створки в открытом положении; 7 – грунтовая сваяВлажность грунта в скважине во время уплотнения должна быть оптимальной. Для пылевато-глинистых грунтов она приблизительно равна влажности на границе раскатывания.
При заполнении скважины пылевато-глинистыми грунтами их средний удельный вес в скважине в сухом состоянии должен быть не меньше 17,5 кН/м 3 . Средний удельный вес сухого грунта в уплотненном массиве должен быть на площадках с грунтовыми условиями по I типу просадочности равной 16,5 кН/м 3 ; по II типу – в пределах верхнего слоя на глубину до H s / 2 – 16,5 кН/м 3 , а ниже – 17 кН/м 3 (где – длина грунтовой сваи).По краям площадки, уплотняемой грунтовыми сваями, будет формироваться зона с переходными значениями плотности грунта. Поэтому необходимо увеличить размеры площадки по сравнению с размерами фундамента на величину, равную при грунтовых условиях по просадочности:I типа – 0,2 b , но не менее 0,8 м, а для сооружений, которые будут стоять отдельно с высоким размещением центра тяжести, не менее 0,3 b (где b – ширина прямоугольного или диаметр круглого фундамента);II типа – 0,2 величины просадочной толщи.Под сваями уплотненный грунт распространяется ну глубину 2,5 d (где d – диаметр скважины).При выполнении работ по устройству грунтовых свай может происходить разуплотнение грунта на уровне дна котлована. Поэтому рекомендуется уплотнение грунта начинать с отметки, превышающей отметку подошвы фундамента на величину буферного слоя, толщина которого
, (16.4)
где d – диаметр скважины;– коэффициент пропорциональности, который равен для песков – 3, супесей – 4, суглинков – 5 и глин – 6.После изготовления грунтовых свай буферный слой частично срезают, а остаток (не больше 1,5 м) уплотняют трамбовками. Хорошие результаты дает щебеночная подготовка толщиной 0,1 м поверх уплотненного сваями грунта.Расчеты грунтовых свай производят с целью определения предельных расстояний между сваями, их общего числа, а также массы грунта, необходимого для изготовления свай.Расстояние между центрами скважин грунтовых свай в ряду находят по формуле
, (16.5)
где – средняя плотность сухого грунта уплотненного массива,; – плотность сухого грунта в естественном состоянии.
Исходя из размещения свай в вершинах равносторонних треугольников в шахматном порядке, вместе с расстоянием l становится известным расстояние между рядами свай . Для прямоугольных площадок уплотнения этих данных достаточно, чтобы определить общее количество грунтовых свай. Для площадок уплотнения другой конфигурации удобнее находить общее количество свай в следующем порядке:коэффициент пористости грунта до уплотнения
, (16.6)
где – плотность частиц грунта;коэффициент пористости после уплотнения грунтового массива
, (16.7)площадь поперечного сечения грунтовых свай на 1 м 2 уплотненного основания
, (16.8)общее количество грунтовых свай
, (16.9)
где А – площадь уплотненного основания; – площадь сечения скважины с грунтовой сваей.
Далее по формуле (16.5) находят расстояние l , а также зависящее от него и выполняют размещение скважин на плане площадки.Необходимую массу грунта для заполнения одной скважины определяют по формуле
. (16.10)
Здесь – коэффициент, учитывающий увеличение диаметра грунтовой сваи при заполнении скважины: супесями = 1,4 ; суглинками и глинами = 1,1 ; – площадь сечения сваи; – влажность грунта, которым заполняют скважину; – длина грунтовой сваи с учетом толщины буферного слоя, глубины заложения фундамента и толщины уплотненного слоя грунта под сваями.Общая масса грунта для уплотнения всей площадки M = m n .16.2. Слабые грунтыК слабым грунтам, используемым в строительстве, относятся илы и водонасыщенные биогенные (заторфованные) грунты повышенной сжимаемости с низкими значениями прочностных характеристик.В природных условиях слабые грунты могут располагаться полностью в пределах сжимаемой толщи или чередоваться слоями с достаточно прочными грунтами.Опирание фундаментов непосредственно на поверхность слабых грунтов, как правило, не допускается. Если слабые грунты частично включены в основание, тогда среднее давление под подошвой фундамента от внешней нагрузки не должно превышать расчетного сопротивления грунта, определяемого аналитическим методом по формуле (9.18).
При выборе табличного коэффициента условия работы грунтового основания учитывают значения показателя относительного содержания органического вещества , выраженного в долях единицы. В расчетах по деформациям основания, сложенного слабыми грунтами, границу сжимаемой толщи принимают на глубине, где дополнительное напряжение = 3 кПа .Возведению зданий на слабых грунтах предшествуют мероприятия, проводимые на строительной площадке с целью уменьшения осадки основания под нагрузкой. К ним относятся уплотнение грунта и устройство песчаных или гравийно-песчаных подушек.Радикальными способами устранения чрезмерных осадок основания являются замена биогенных грунтов грунтами с минеральным скелетом, а также прорезка слабых грунтов углубленными фундаментами или сваями.К конструктивным мероприятиям относятся повышение жесткости зданий, устройство осадочных швов, разделяющих здание на отдельные блоки, и т.п.Песчаные подушки позволяют в несколько раз снизить давление, передаваемое на слабый грунт в результате рассеивания напряжений по глубине отсыпанного песчаного слоя. Снижение давления дает возможность избежать чрезмерных осадок слабых грунтов, при этом деформация уплотнения песка в песчаной подушке имеет незначительную величину.
При формировании песчаной подушки не допускается рыхлое сложение отсыпанного песка, поэтому отсыпку производят слоями толщиной не более 0,3 м с послойным уплотнением до плотности песка в сухом состоянии = 1,65 т/м 3 . Необходимое уплотнение достигается при оптимальной влажности песка, которую определяют лабораторным путем в конкретных условиях изготовления подушки.
Толщину песчаной подушки устанавливают, исходя из условия R . Дополнительное давление принимают с учетом эффекта распределения на уровне подошвы подушки, а расчетное сопротивление R определяют для грунта слабого слоя, исходя из значений его физико-механических характеристик.Ширину подушки назначают с учетом угла распределения давления , который в зависимости от крупности применяемого песка составляет 30…40.
Песчаная подушка чаще всего имеет прямоугольное сечение (рис.16.3). В этом случае ее ширина определяется уравнением
, (16.11)где b – ширина подошвы фундамента; h – толщина подушки.
Рис.16.3 — Схема определения размеров песчаной подушкиПри проверке осадки основания, сложенного слабыми грунтами, может оказаться, что ее значение превышает предельную величину за счет дополнительных горизонтальных деформаций грунта в слабом слое. В этом случае фундамент ограждают шпунтом из железобетонных шпунтовых свай, заведенных концами в прочный грунт, или переходят к устройству фундаментов на сваях и глубоких опорах.16.3. Набухающие грунтыОсобенностью набухающих грунтов является их способность разуплотняться, т.е. увеличиваться в объеме при увлажнении. Последующее снижение влажности в таких грунтах приводит к усадкам.Деформации грунта основания в результате набуханий и усадок могут быть причиной повреждений строительных объектов.К категории набухающих грунтов относятся в основном глины, особенно с высокими значениями числа пластичности. Кроме того, способностью набухать обладают некоторые виды шлаков, а также пылевато-глинистые грунты при замачивании кислотами, которые попадают в грунт в виде отходов химических производств.
Набухающие грунты характеризуются относительным набуханием при заданном давлении , давлением набухания , влажностью набухания и относительной усадкой .Давлением набухания называется минимальное давление, предаваемое на грунт, при котором деформации набухания прекращаются. С увеличением влажности постепенно снижается величина разуплотнения грунта, а при определенной влажности, равной влажности набухания, деформации набухания отсутствуют.
Грунт считается набухающим, если при его свободном (без пригрузки) набухании .
В случае инфильтрации влаги в грунт относительное набухание грунта определяют по формуле
, (16.12)
где – высота образца в природном состоянии, обжатого без возможности бокового расширения давлением, равным суммарному вертикальному напряжению на заданной глубине ; – высота того же образца после полного водонасыщения при том же давлении.Общую деформацию (подъем) основания при набухании грунтов находят по формуле
, (16.13)
где – относительное набухание i -го слоя грунта, определяемое по
формуле (16.12); n – число слоев, на которые разбита зона набухания; – толщина i -го слоя; – коэффициент, определяемый в зависимости от величины суммарного вертикального напряжения на рассматриваемой глубине: = 0,8 , если = 0,05 МПа ; = 0,6 , если = 0,3 МПа . Промежуточные значения коэффициента принимают по интерполяции.Относительную линейную усадку грунта находят по формуле
, (16.14)
где – высота грунтового образца с максимально возможной влажностью при обжатии его заданным вертикальным давлением без возможности бокового расширения; – высота образца в тех же условиях после высыхания.Для устранения негативного воздействия набухающих грунтов на сооружения осуществляют следующие профилактические мероприятия:проектирование водозащитных устройств;предварительное замачивание основания;устройство компенсирующих песчаных подушек;замена набухающего грунта ненабухающим.Кроме того, используют конструктивные мероприятия, к которым относятся повышение прочности и жесткости здания, устройство осадочных швов, прорезка набухающих слоев сваями с анкеровкой их в ненабухающем грунте.Водозащитными мероприятиями и устройствами являются планировка территории для надежного отвода дождевых и талых вод за пределы участка, организованный отвод воды с кровли здания, применение на входах и выходах водонесущих трубопроводов железобетонных лотков, соединенных с контрольными колодцами, и т.д.Предварительное замачивание приводит к подъему грунта перед началом строительства до уровня, выше которого деформации набухания исключаются.
Для устройства компенсирующих песчаных подушек в набухающих грунтах используют пески любой крупности, за исключением пылеватых. Уплотнение песка в подушках производят до плотности в сухом состоянии = 1,6 т/м 3 .
Замену набухающего грунта выполняют любым ненабухающим грунтом с послойным уплотнением при укладке в котлован. Укладку сопровождают контролем плотности грунта. Минимальное значение плотности скелета составляет = 1,65 т/м 3 .Указанные профилактические мероприятия могут не проводиться, если окажется, что на любой глубине под подошвой фундамента имеет место условие
, (16.15)
Здесь – общее вертикальное напряжение на глубине z ниже подошвы фундамента; – дополнительное напряжение от веса сооружения с учетом его рассеивания с глубиной; – природное давление в зависимости от заданной глубины; – дополнительное давление от веса грунта за пределами зоны увлажнения.
При значительных размерах зоны увлажнения давление не учитывают. Значение на уровне подошвы фундамента должно быть сопоставлено с расчетным сопротивлением грунта основания ( R ).
Если в верхней зоне набухающего слоя окажется меньше , то нижняя граница набухания будет находиться на глубине, где =.В качестве радикального метода устранения негативного влияния на сооружения деформаций от набухания и усадки грунта рассматривается прорезка этого слоя сваями, заанкеренными в подстилающем слое ненабухающего грунта. В качестве анкеров используют разбуренные (уширенные) нижние части буронабивных свай, камуфлетные уширения, булавовидные сваи заводского изготовления.Свайные фундаменты зданий и сооружений рассчитывают таким образом, чтобы полностью исключить их перемещение при сезон-ных набуханиях и усадках грунтов.Для устранения свойств набухания способом предварительного замачивания отрывают котлован (или траншею) на глубину 0,1–0,3 м выше проектной отметки заложения подошвы фундамента. В котловане в шахматном порядке на расстоянии 2–4 м пробуривают скважины диаметром 100–250 мм (глубина на 0,5 м меньше, чем требуемая по проекту толщина слоя, подвергаемая замачиванию). Скважины заполняют на всю высоту гравием, щебнем или песчано-гравийной смесью. В пределах котлована по двум взаимно перпендикулярным направлениям устраивают поверхностные марки через 3–5 м одна от другой. До начала замачивания определяют влажность грунта по глубине через 0,5–0,7 м не менее чем по шести образцам с каждой глубины.В процессе замачивания через 7–10 дней производят нивелирование марок. Замачивание прекращают, когда величина подъема поверхности составит 0,8 расчетной.Интенсивная инженерно-хозяйственная деятельность человека приводит к значительным изменениям природной среды. Строителям приходится осваивать не только новые территории, но и использовать участки, расположенные в застроенной части города, в основном, неблагоприятные и опасные в инженерно-геологическом отношении. К ним относят площадки, сложенные просадочными грунтами, подтопляемые грунтовыми и химически вредными водами, территории с оползневыми и недоуплотненными грунтами, подрабатываемые горными выработками, организованные из отходов химических, промышленных, обогатительных, пищевых и хозяйственно-бытовых предприятий. Поэтому освоение таких территорий под новое строительство или работы, связанные с усилением или реконструкцией зданий и сооружений, требуют тщательного проведения инженерно-геологических исследований, выбора наиболее правильного решения при минимальных затратах.
16.4. Мерзлые грунты
На северных территориях, где температура воздуха ниже 0 0 С, в теплое время года наблюдается частичное оттаивание грунта на глубину до 3,0 м. Ниже находятся слои грунта в постоянно мерзлом состоянии (30-500 м). В зависимости от температурных условий область вечной мерзлоты разделяется на пять зон [27].Слои 1, 2, 3 (рис.16.4) способны промерзать и оттаивать, средняя температура их ниже –1-5 0 С.Рис.16.4 — Схема расположения слоев грунта: 1 – деятельный слой;2 – талый грунт; 3 – слой сезонных оттаиваний; 4 — вечномерзлый грунт; 5 – слой сезонного промерзанияИсследованиями установлено [43], что в лед переходит не вся поровая вода, а лишь ее часть. Существенное влияние оказывает на этот процесс температура окружающей среды и вид грунта (рис.16.5). В песках практически не содержится связанная вода. В глинистых грунтах с увеличением числа глинистых частиц содержание связанной воды возрастает, что ведет к увеличению количества незамерзшей воды при отрицательной температуре.
Рис.16.5 — Кривые содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах в зависимости от отрицательной температуры1- кварцевый песок; 2 – супесь; 3 – суглинок; 4 – глина; 5 – то же, содержащая монтмориллонитРис.16.6 — Процесс миграции воды присезонном промерзании грунта:а – фрагмент геологического строения участка; б – график изменения влажности в зависимости от глубины; 1 – уровень морозного пучения; 2 – промерзание грунта; 3 – фронт промерзания; 4 – уровень грунтовой воды; 5 – изменение влажности до промерзания; 6 – изменение влажности после промерзанияИзменение температурного режима мерзлых грунтов приводит к значительным изменениям их физико-механических свойств. Для пылевато-глинистых грунтов, расположенных близко к поверхности и имеющих повышенную влажность, процесс промерзания и оттаивания приводит к значительным деформациям как в толще грунтовых оснований, так и конструкциях сооружений, возводимых на мерзлых грунтах. Объяснить этот процесс можно следующим образом. Вначале, перед образованием льда, происходит испарение воды с поверхности грунта и некоторая усадка его скелета с объемным увеличением воды в порах. Далее объем воды увеличивается, она постепенно переходит в лед, создаются условия для миграции влаги в зону промерзания. Дальнейшее влияние отрицательной температуры на поверхность слоя пылевато-глинистого грунта приводит к постепенному объемному расширению льда и вместе с ним и грунта на 1/11 часть его первоначального объема и к морозному пучению (рис.16.6).
При расчетах оснований и фундаментов в районах расположения вечной мерзлоты используют принцип проектирования по предельным состояниям. При этом возникает необходимость исследовать механические свойства мерзлых грунтов, так как при оттаивании для них характерно проявление просадочных деформаций и разжижения. При оценке механических свойств мерзлых грунтов следует учитывать их состав и температурно-влажностные условия. В зависимости от этих особенностей рассматривают твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые грунты. При испытании образцов грунта на сдвиг с изменением температуры , нормального давления и времени действия нагрузки можно получить такие зависимости (рис.16.7):
Рис.16.7 — Зависимости сопротивления сдвигу мерзлого грунтаот температуры ( а ) и нормального давления ( б ); изменениесцепления мерзлых грунтов во времени ( в ): 1 – лед; 2 – супесь;3 – глина; 4, 5 – соответственно мгновенное и предельноедлительное сопротивление суглинка пылеватого; 6 – песок;7 – глина ленточная; 8 – супесь пылеватая; 9 – суглинок пылеватыйКак показывают опыты, сопротивление сдвигу мерзлого грунта увеличивается с понижением температуры ( а ), а также с увеличением нормального давления ( б ); значение удельного сцепления ( в ) зависит от времени испытания.Н.А.Цытович [27] определил мерзлые, лессовые просадочные, слабые водонасыщенные пылевато-глинистые, засоленные и заторфованные грунты в группу структурно-неустойчивых, так как в природных условиях эти грунты обладают структурными связями, которые при оттаивании резко снижают свои прочностные свойства. Поэтому для использования мерзлых грунтов в строительных целях необходимы специальные мероприятия, учитывающие их особенные свойства, и обеспечивающие нормальную эксплуатацию зданий и сооружений.
Моделируя сжимаемость грунтов в процессе оттаивания в одометре, создают условия загружения образцов грунта вертикальной нагрузкой. Для этого образец мерзлого грунта помещают в одометр с начальной высотой , обжимают вертикальным давлением и нагревают. При этом происходит незначительное сжатие образца до высоты (на графике рис.16.8 участок а-б ). Образец грунта в приборе продолжают нагревать до оттаивания при постоянном давлении . В процессе оттаивания происходит разрушение цементационных связей, вода переходит из замершего состояния в жидкое и грунт может значительно уплотниться (участок б-в ). Деформация его аналогична деформации в просадочных грунтах при замачивании. После стабилизации деформации оттаивания образец нагружают ступенчато возрастающей нагрузкой (участок в-г ). Получаемая при этом деформация соответствует деформации оттаявшего грунта.
Рис.16.8 — Зависимости деформаций образца оттаивающего грунта ( а ) и коэффициента просадочности ( б ) от нормального давления
( — высота образца в мерзлом состоянии; — высота оттаявшего образца при нагрузке ; — изменяющаяся высота образца при
соответствующих нагрузках )По результатам компрессионных испытаний можно определить коэффициент просадочности:
. (16.16)
Зависимость коэффициента просадочности от нагрузки имеет линейный характер и описывается уравнением
, (16.17)
где и — соответственно коэффициенты оттаивания и сжимаемости, т.е. осадка оттаивающего грунта складывается из двух составляющих: осадки оттаивания, независимо от нагрузки определяемой коэффициентом , и осадки уплотнения, пропорциональной нагрузке. Эти коэффициенты являются основными расчетными характеристиками при вычислении осадок оттаивающих грунтовых оснований.16.5. Подрабатываемые территорииТерритории, в недрах которых шахтным способом разрабатываются полезные ископаемые, относятся к подрабатываемым территориям. Производство горных выработок под землей приводит к оседанию земной поверхности, которое в большинстве случаев сопровождается горизонтальными деформациями грунта. В осложненных условиях на подрабатываемых территориях наблюдаются, кроме того, провалы, резкое изменение гидрогеологических условий, снижение значений механических характеристик грунтов, используемых в качестве оснований зданий и сооружений.Конструктивными мероприятиями, направленными на снижение неблагоприятных воздействий деформаций земной поверхности на здания и сооружения, являются разрезка зданий на отсеки, устройство фундаментов жесткой конструкции, введение дополнительных связей, устройство поясов в фундаментах и стенах и т.п.Горизонтальному давлению грунта, возникающему при оседании земной поверхности, надежно противостоят железобетонные ленточные перекрестные фундаменты и фундаментные плиты.Мероприятием, позволяющим восстановить эксплутационную пригодность зданий, получивших значительные неравномерные осадки и крены на подрабатываемых территориях, является выравнивание зданий с помощью гидравлических домкратов и клиньев. Для этого в конструкциях фундаментов устраивают опорные железобетонные пояса с нишами для установки домкратов.Важную роль при эксплуатации зданий и сооружений, воздвигнутых на подрабатываемых территориях, играет служба наблюдения за состоянием конструкций.Систематические инструментальные измерения деформаций конструкций позволяют своевременно проводить необходимые мероприятия по их локализации.
При проектировании зданий и сооружений на подрабатываемых территориях учитывается возможность изменения физико-механических свойств грунтов в процессе оседания поверхности площадок застройки. Расчетное сопротивление грунта основания определяют обычным путем в соответствии с указаниями строительных норм и правил. При этом для зданий с жесткой конструктивной схемой повышают значения коэффициентов условий работы , а при определении краевых давлений под подошвой фундаментов допускается условие , где — максимальное краевое давление. Эти изменения обеспечивают уменьшение ширины подошвы фундаментов, что в некоторых случаях для зданий с жесткой конструктивной схемой, в свою очередь, способствует уменьшению усилий в коробке здания за счет повышенного врезания фундаментов в грунт основания.Значение модуля деформации грунта в горизонтальном направлении для расчетов горизонтальных деформаций основания принимают равным 0,5 для пылевато-глинистых грунтов и 0,65 – для песчаных грунтов от значения модуля деформации грунта, который определяется в вертикальном направлении.16.6. Суффозия в песчаных и глинистых грунтахСуффозия — это процесс, при котором происходит оседание поверхности земли в результате вымывания, выщелачивания и выноса растворимых частиц грунта подземными водами из нижележащих пород.В настоящее время под суффозией понимают явления образования воронок, оседания не только как результат выщелачивания, но и механический вынос подземными водами из породы мельчайших частиц. Растворение играет подчиненную роль: оно освобождает зерна породы и разрыхляет её, благодаря чему увеличиваются фильтрация и её скорость. Наиболее часто эти явления наблюдаются в мелких песках, содержащих карбонатные зерна (обломки раковин), или в тех случаях, когда карбонаты цементируют нерастворимые зерна песка или слабого пористого песчаника. Для того чтобы было возможным выщелачивание зерен или цемента, песок или песчаник должен быть пористым или трещиноватым, что способствует циркуляции воды. Некоторые пески, даже не содержащие растворимых составляющих, разрыхляются фильтрующимся через них потоком в результате выноса мельчайших зерен. Этот процесс называют механической суффозией. Механическая суффозия может возникнуть только при известных соотношениях механического состава и структуры песка и при значительных градиентах падения напора в фильтрационном потоке. Такие градиенты в природных условиях бывают редко, но все же могут возникнуть, например, в зоне, где водоносный горизонт был подперт паводком в реке и спад паводкового уровня произошел очень быстро. Суффозионные явления в природных условиях нередко являются причиной возникновения оползней. Суффозия может быть причиной сползания пород после быстрого спада паводка, подпиравшего водоносный горизонт в основании глинистой толщи, слагающей береговой склон.На крутых склонах суффозия развивается в зоне выветривания. Вынос мелкого материала приводит к опусканию (обычно без разрывов) почвенного и дернового слоя.Размыв породы может происходить при движении струи воды через породу, т.е. по крупным пустотам, в которых возможно завихрение струй и срыв слабо связанных механических элементов породы. Чаще и легче всего размываются пылеватые по гранулометрическому составу породы, например, лёссы. Подобные явления известны и в глинах. В лёссах развитие суффозии начинается нисходящим движением воды по вертикальным трубчатым канальцам, характерным для строения этих пород, и далее по горизонтальным подземным ходам землероев. Размыв начинается вблизи крутого обрывистого берега реки, оврага или откоса канала, где могут создаваться большие градиенты фильтрации и большие скорости подземного потока.В более плотных глинистых породах размыв начинается по трещинам. Больше подвержены внутреннему размыву глины, легко выветривающиеся, значительно изменяющиеся в объеме при изменении влажности, возможно, богатые монтмориллонитом. В обнажениях глины легко шелушатся и осыпаются, а струйчатое движение воды по трещинкам выветривания и границам элювиированной зоны срывает и уносит частицы там, где при переменном высыхании и увлажнении связь их с породой нарушается. Процесс размыва в толще глин обычно распространяется неглубоко. При инженерно-геологическом изучении суффозии в глинах и лёссах необходимо выяснить следующие вопросы:а) какие породы и в каких местах и условиях теряют свою прочность вследствие выщелачивания солей, создающих структурные связи или ослабление коллоидных структурных связей при периодическом увлажнении или высыхании;б) каковы механический состав, текстура и нарушенность породы;в) где, за счет каких источников и по каким внутренним путям возможно возникновение струйчатого движения воды через легко размываемую породу.Все мероприятия по борьбе с развитием суффозии в лёссах должны быть направлены на то, чтобы прекратить поступление и передвижение воды по внутренним полостям в лёссе, особенно при значительных градиентах. По отношению к глинам мероприятия сводятся к защите их от выветривания (покрытие песком, перемятой глиной, битумизация и пр.).16.7. Тиксотропные свойства грунтовМногие глинистые породы могут разжижаться или размягчаться при встряхивании или под влиянием других механических воздействий, а затем вновь самопроизвольно с большей или меньшей скоростью восстанавливать свое состояние и прочность. Такие обратимые явления называют тиксотропными или тиксотропией (изменение при соприкосновении).Свойством тиксотропии обладают самые различные глинистые породы – глинистые тонко- и мелкозернистые пылеватые пески, супеси, суглинки и глины с повышенной влажностью и неустойчивой консистенцией при нарушении естественного сложения. Тиксотропия характерна для глинистых пород текучей, текучепластичной и мягкопластичной консистенции, иногда может проявляться при интенсивной вибрации даже в полутвердых породах.Тиксотропные изменения в глинистых породах протекают по-разному, в зависимости от их дисперсности (глинистости), минерального состава тонкодисперсной (глинистой) части, физического состояния – влажности, плотности и консистенции, минерализации и состава поровых вод, а также интенсивности механических воздействий.Одни глинистые породы, например, монтмориллонитовые – гидрофильны, легко разжижаются и затем быстро восстанавливают в полной мере свою прочность, другие, например, каолинитовые – малогидрофильные, трудно разжижаются и размягчаются и медленно восстанавливают свое состояние и прочность. У многих горных пород после нарушения сложения прочность восстанавливается только частично. Некоторые породы вообще не разжижаются, а только размягчаются, причем прочность их снижается и восстанавливается лишь частично после прекращения механического воздействия. Следовательно, склонность разных глинистых пород к тиксотропным изменениям неодинаковая, что связано с различным их состоянием и особенностями структурных связей.Тиксотропные изменения являются результатом разрушения структурных связей, уменьшения их прочности и расслабления породы (релаксация сил сцепления) и затем восстановления структурных связей и упрочнения породы. Такие обратимые явления характерны для пород, обладающих главным образом молекулярными, водородными и магнитными структурными связями, т.е. связями, обусловленными непосредственным взаимодействием частиц и агрегатов между собой. Такие связи отличаются малой прочностью, мобильностью и обратимостью, большое пластифицирующее влияние на них оказывает защемленная между частицами породы свободная вода и физически связанная вода. Поэтому такие связи называют коагуляционно-тиксотропными.Если связность глинистой породы обусловлена не только коагуляционно-тиксотропными силами, но и концессионно–кристализационными (цементирующим действием различных веществ), тиксотропные изменения в ней протекают затрудненно и частично. Размягчение и разжижение породы возможно в этом случае после разрушения цементационных необратимых связей, а восстановление состояния и прочности происходит за счет коагуляционно-тиксотропных связей. Потенциальной способностью к тиксотропному разупрочнению под действием внешней нагрузки обладают только чувствительные породы, т.е. такие, в которых возможно лавинообразное разрушение структурных связей. Показателем этой способности является величина чувствительности породы. Чем она больше, тем выше степень потенциальной способности пород к тиксотропному разупрочнению. Мерой потенциальной способности породы к тиксотропному разупрочнению является их «зыбкость», т.е. способность разжижаться и растекаться под влиянием вибрации. Чем больше будет деформироваться, растекаться порода при таком динамическом воздействии, тем больше она способна к тиксотропным изменениям. Важным показателем способности пород к тиксотропии является также время восстановления их физического состояния и прочности после механического воздействия. Чем быстрее порода восстанавливает свою прочность и физическое состояние, тем большей потенциальной способностью к тиксотропным изменениям она обладает.При инженерно-геологическом изучении глинистых пород учет и оценка их тиксотропных свойств имеют большое значение. Тиксотропия может резко изменить устойчивость и прочность глинистых пород при воздействии на них статических и динамических нагрузки, вызывать нарушение устойчивости сооружений, значительные их осадки, развитие оползневых явлений, увеличение давления пород на ограждения, ухудшение состояния проезжей части дорог. Расслабление и разжижение пород часто создают большие трудности при производстве строительных работ, однако тиксотропное упрочнение пород, восстановление их устойчивости и прочности со временем имеет также и положительное значение, так как при этом улучшаются условия устойчивости склонов, откосов, а также условия строительства и эксплуатации сооружений. Поэтому при инженерно-геологических исследованиях необходимо учитывать и оценивать возможности развития тиксотропных явлений.16.8. Растворимость породПодземные воды обладают большой растворяющей способностью. Теоретически почти все горные породы растворяются в подземных водах, но степень и скорость растворения различные. Одни породы растворяются быстро (например, каменная соль), другие медленно (известняки), третьи (граниты) растворяются настолько медленно, что практически могут считаться нерастворимыми. Процесс растворения зависит от характера породы, свойств воды – её химического состава, общей минерализации, температуры, скорости движения, растворенных в воде газов, барометрического давления и т.д. [37].Способность воды растворять минералы или горные породы, а также различные искусственные строительные материалы (цемент, бетон и др.) называется агрессивной способностью . Вода обладает агрессивной способностью по отношению к данной породе только в том случае, если она не насыщена солью, содержащейся в породе. Так, вода, насыщенная карбонатом кальция, не будет растворять при данной температуре и давлении известняк, вода, насыщенная сульфатом кальция, не растворяет гипс.При больших скоростях и турбулентности движения воды по породам растворяющая её способность, при прочих равных условиях, увеличивается.Повышение температуры способствует увеличению растворяющей способности воды. Если вода содержит газы (например, СО 2 ), которые при возрастании температуры улетучиваются, растворяющая способность воды при увеличении температуры может уменьшаться. Например, растворимость магнезита в воде, насыщенной СО 2 , при нормальном давлении изменяется от 8,1 г/л при температуре воды 70 0 С до 2,4 г/л при температуре 90 0 С, а при 100 0 она составляет всего сотые и тысячные доли грамма на литр воды. Различают полное растворение всей горной породы и частичное растворение, называемое выщелачиванием (растворяются отдельные минералы породы). Следует различать также прямое и диффузное выщелачивание (растворение).Прямое выщелачивание, или растворение происходит при непосредственном соприкосновении движущейся подземной воды с растворимой породой (минералом). Диффузное выщелачивание или растворение идет без прямого соприкосновения свободной воды с растворимой породой. Этот процесс возникает в результате падения концентрации солей в поровом растворе, заключенном в микропорах, под влиянием движущейся по трещинам и микропорам свободной воды, т.е. происходит движение ионов по схеме: порода – поровый раствор – свободная вода. Прямое и диффузное растворение и выщелачивание сопровождается изменением инженерно-геологических свойств пород: увеличивается кавернозность, уменьшается прочность, увеличивается водопроницаемость, в глинистых породах увеличивается их сжимаемость, уменьшается сцепление и т.д. Возможность такого изменения свойств пород определяет условия строительства сооружений в районах распространения растворимых пород. Измерение процессов выщелачивания и растворения производится в лабораторных условиях путем постановки моделирующих опытов.
Трещины оказывают негативное влияние на свойства грунтов. По трещинам возможны сдвиги частей скального грунта под нагрузкой. Глинистые и песчаные грунты также могут иметь сеть трещин, по которым будет происходить замачивание массива, отрыв и соскальзывание при оползнях, следовательно, пренебрегать их трещиноватостью нельзя.