Фундаменты на насыпных грунтах

Лекция № 11

Насыпные грунты образуются в результате деятельности человека и по своему составу, сложению и физико-механическим свойствам резко отличаются от естественных отложений.

Толщи насыпных грунтов обычно неоднородны по составу, обладают неравномерной сжимаемостью, отдельные области не выдержаны по толщине и простиранию. Особенностью насыпных грунтов является возможность их самоуплотнения от массы вышележащих толщ, от действия вибрации и перемещения подземных вод. При наличии органических включений возможно развитие дополнительных осадок за счет их разложения. В толщах насыпных грунтов могут встречаться большие пустоты, а иногда и твердые включения больших размеров (обломки свай, кирпичной кладки, элементов конструкций и т. п.).

По условиям образования, однородности состава и сложения насыпные грунты подразделяют на три подгруппы:

- планомерно возведенные насыпи, обычно устраиваемые из однородных природных грунтов или из отходов промышленных производств для планировки территорий, устройства оснований под фундаменты, обратных засыпок котлованов и т. п. К ним также относятся многие земляные сооружения: дамбы, плотины, насыпи железных и автомобильных дорог и т. д. Такие насыпи возводятся по специальному проекту отсыпкой или гидронамывом с уплотнением укладываемого грунта до заданной плотности и, как правило, имеют однородный состав, сравнительно высокую прочность и практически равномерную сжимаемость;

- отвалы грунтов и отходов промышленных производств устраиваются в виде отсыпки отдельных видов грунтов при вскрытии строительных котлованов, планировании территорий, подземной проходке или отсыпке отходов промышленных предприятий: шлаков, золы, формовочной земли и т. п. Уплотнение грунтов в таких отвалах не производится, поэтому плотность и сжимаемость насыпей при относительной однородности состава могут изменяться по глубине и простиранию;

- свалки являются результатом произвольного сбрасывания различных грунтов и отходов производства, часто перемешанных с бытовыми отходами. Для свалок характерно высокое содержание органических веществ, достигающее 30% и более. Состав, сложение и сжимаемость материала свалок могут резко изменяться даже на небольшом расстоянии.

Толщи насыпных грунтов способны самоуплотняться от собственного веса. Время, по истечении которого насыпи относятся к слежавшимся, ориентировочно может быть принято по таблице 11.1.

Таблица 11.1 Ориентировочные периоды времени, необходимые для самоуплотнения насыпных грунтов

Полная и достоверная оценка физико-механических характеристик и особенностей насыпных грунтов как оснований сооружений может быть получена только на основе детальных инженерно-геологических исследований, выполняемых по специальным программам. В дополнение к общим требованиям на изыскания устанавливаются способ и давность отсыпки, однородность сложения, физико-механические характеристики, изменчивость сжимаемости и т. п.

Ориентировочная оценка строительных свойств слежавшихся насыпных грунтов производится по условному расчетному сопротивлению R₀, которое зависит от способа образования насыпи, вещественного состава, степени влажности материала и может определяться согласно рекомендациям СНиП 2.02.01 — 83*.

Для уточнения размеров фундаментов используются значения расчетного сопротивления R. При этом среднее давление под подошвой фундамента р не должно превышать расчетного сопротивления грунта, т. е. р ≤ R. Максимальные давления у края подошвы внецентренно нагруженных фундаментов не должны превышать: для планомерно возведенных насыпей, песчаных и других подушек — 1,2 R; для отвалов и свалок — 1,1 R.

Основание из насыпных грунтов рассчитывается по двум группам предельных состояний.

Для обеспечения устойчивости основания и возводимого фундамента должно выполняться условие:

, (11.1)

где F —расчетная нагрузка на основание;

F _fn — дополнительная нагрузка (при расчете свай в неслежавшихся грунтах) вследствие нависания оседающего грунта от собственного веса и других факторов;

γ_с — коэффициент условий работы, равный: для слежавшихся насыпных грунтов — 0,9; для неслежавшихся — 0,8;

F_u — сила предельного сопротивления основания или несущая способность сваи по грунту, определяемые обычными способами;

γ_n — коэффициент надежности, равный для фундаментов неглубокого заложения 1,2, для свайных — 1,4.

При расчете по второй группе предельных состояний полная осадка фундамента определяется по формуле

s_f = s + s_f1+ s_f2+ s_f3+ s_f4, (11.2)

где s — осадка от передаваемой фундаментом нагрузки, определяемая методом послойного суммирования;

s_f1 и s_f2 — соответственно осадка основания при самоуплотнении насыпных грунтов от действия собственного веса и от подъема (снижения) уровня подземных вод;

s_f3 — осадка при разложении органических веществ;

s_f4 — осадка за счет уплотнения подстилающих грунтов от веса насыпи.

Осадки s_f1 и s_f2 рассчитывают по формуле:

s_f2, s_f1 = γ _с1 γ _с2 β h/E (11.3)

где γ _с1, γ _с2 — коэффициенты уплотняемости насыпного грунта, определяемые по таблице 11.2;

β = 0,8 — безразмерный коэффициент;

– среднее вертикальное напряжение в насыпном грунте от собственного веса;

h — толщина залегающего ниже подошвы фундамента слоя насыпного грунта; Е — средний модуль деформации насыпного грунта.

Осадку s_f3 при содержании органических включений I_om = 0,03...0,1 вычисляют по формуле:

, (11.4)

где η = 0,75 — коэффициент, учитывающий условия залегания органических включений;

k₀ — коэффициент, учитывающий возможность разложения органических включений и равный для водонасыщенных насыпных грунтов 0,2, а для остальных — 0,5.

Таблица 11.2. Значения коэффициентов γ_с1 и γ_с2

Осадка подстилающих грунтов s_f4 учитывается путем добавления к значениям ниже кровли подстилающих грунтов вертикального напряжения от веса вышележащих насыпных грунтов. Допускается не учитывать осадку s_f4 при давности отсыпки насыпей более 2 лет, если насыпь подстилается песчаными и маловлажными глинистыми грунтами, и 5 лет — влажными и водонасыщенными глинистыми грунтами.

Наиболее часто применяют три вида устройства оснований на насыпных грунтах.

Использование насыпных грунтов как естественных оснований возможно для слежавшихся грунтов, уложенных в виде планомерно возводимых насыпей при достаточном уплотнении, а также в тех случаях, когда насыпные грунты представлены крупным песком, гравием, щебнем или гранулированными стойкими шлаками. Для зданий и сооружений с нагрузкой на фундаменты до 400 кН и до 80 кН/м в качестве естественных оснований могут быть использованы все виды слежавшихся планомерно возведенных насыпей, а также отвалов грунтов, если относительное содержание в них органических веществ не превышает 0,05.

Устройство искусственных оснований на насыпных грунтах связано с принятием мер по улучшению механических свойств грунтов. При этом должны быть обеспечены достаточная несущая способность оснований и величина деформаций, допустимая для строящихся сооружений.

Для улучшения свойств оснований, сложенных насыпными грунтами, используют уплотнение тяжелыми трамбовками на глубину до 2...7 м, поверхностное уплотнение вибрационными машинами и катками. При значительной толще насыпных грунтов эффективны методы глубинного уплотнения песчаными и грунтовыми сваями, способ гидровиброуплотнения. Возможно устройство фундаментов методом вытрамбовывания котлованов. Гравийные и песчаные подушки устраивают на насыпных грунтах для замены верхних слоев сильносжимамых грунтов либо грунтов с большим содержанием органики (более 0,1). Если ниже слоя насыпных грунтов залегают просадочные лессовые, набухающие или засоленные грунты, то при устройстве грунтовых подушек принимают меры по устройству водонепроницаемых экранов из глинистых грунтов, асфальтового или бетонного непрерывного покрытия.

Прорезка насыпных грунтов глубокими фундаментами применима, если методы устройства искусственного основания неприемлемы по технико-экономическим показателям. В качестве глубоких фундаментов наиболее часто применяют забивные или буронабивные сваи, которые полностью прорезают слой насыпных грунтов и заглубляются в нижерасположенные прочные грунты.

Особенность взаимодействия свай с неслежавшимися насыпными грунтами заключается в том, что при уплотнении насыпи по боковым поверхностям свай возникают силы нагружающего трения F_fn [см. формулу (11.2)], обусловленные весом нависающего на свае насыпного грунта. Дополнительную нагрузку на сваю в этом случае рекомендуется определять по формуле:

F_fn=γH_fA_f, (11.5)

где γ — удельный вес насыпного грунта;

H_f — толщина слоя насыпного грунта;

А_f – площадь нависающего на сваю грунта, равная для одиночной сваи A_f = (0,15 Н_f)², средней сваи в кусте А_f =l² (l — расстояние между сваями); то же, крайней А_f = l (0,5 l +0,15 H_f); то же, угловой А_f = 0,25π (0,5 l +0,15 H_f)², свай в ленточном фундаменте А_f = 0,3 lН_f.

В отдельных случаях фундаменты устраивают методом опускного колодца.

Вышеуказанными мерами не всегда удается обеспечить допустимость осадок сооружений по величине или по степени их неравномерности. Тогда используют конструктивные мероприятия, создающие условия для нормальной эксплуатации здания и сооружений. В их число обычно входят разрезка зданий и фундаментов осадочными швами, устройство железобетонных поясов и армированных швов, применение монолитных и сборно-монолитных фундаментов. Применяют также конструктивные решения, позволяющие в короткие сроки восстановить при неравномерных осадках нормальную эксплуатацию кранов, лифтов и другого оборудования.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ:

1. Общие сведения.

2. Физико-механические свойства.

3. Особенности инженерно-геологических изысканий и методов определения показателей механических свойств.

4. Общие требования норм к расчетам грунтового основания по предельным состояниям.

5. Особенности определения расчетного сопротивления грунта.

6. Расчет осадки фундамента с учетом деформаций самоуплотнения грунта, разложения органических включений, а также осадок подстилающих слоев от веса насыпных грунтов.

7. Проектирование оснований на насыпных грунтах – использование насыпных грунтов в качестве естественных оснований, подготовка оснований (поверхностное уплотнение, вытрамбовывание котлованов, устройство подушек, глубинное уплотнение).

8. Прорезка насыпных грунтов сваями. Особенности определения несущей способности сваи по грунту.

9. Конструктивные мероприятия при строительстве зданий и сооружений на насыпных грунтах.

Дата добавления: 2015-07-07