Проектирование фундаментов на скальных и элювиальных грунтах.

Лекция № 13

Особенности строительства на скальных и элювиальных грунтах.

Многие считают, что скальные грунты всегда являются идеальными основаниями для любых сооружений. Это представление связано с тем, что монолитный скальный грунт или отдельные куски скальной породы обладают высокой прочностью и ничтожной сжимаемостью, соизмеримыми с характеристиками бетона или железобетона, однако, существующая классификация грунтов свидетельствует о большой изменчивости строения, а следовательно, и свойств скальных грунтов.

Верхняя часть земной коры в результате процессов выветривания представляет постепенный переход от дисперсной зоны, сложенной глинистыми грунтами с возрастающим по глубине содержанием щебня, к обломочной зоне, переходящей к низу в глыбовую и далее — в трещиноватую скальную породу (рисунок 13.1). Таким образом, основанием фундамента в этих условиях может явиться как щебенистый пылевато-глинистый грунт (первая зона), так и обломочный или трещиноватый скальный грунт (вторая или третья зона).

К элювиальным грунтам относят продукты выветривания коренных скальных пород, остающиеся на месте. Переход от элювиальных грунтов к скальным породам осуществляется постепенно, их минеральный состав определяется составом коренных пород, а содержание крупных фракций значительно увеличивается с глубиной.

Рисунок 13.1. Упрощенная схема инженерно-геологического расчленения коры выветривания (по Г.С. Золотареву)

Р. Гудман выделяет следующие характерные типы контакта поверхности скальных и рыхлых горных пород (рисунок 13.2). Случай на рисунке 13.2, а является идеальным, когда кровля скальных пород относительно горизонтальна, а породы слабо трещиноваты. В этом случае опирание фундамента на скальное основание наиболее целесообразно. В случае, рассмотренном на рис. 13.2, б, имеет место развитая толща элювиальных грунтов. Поверхность скалы может быть выражена нечетко, при этом свойства грунтов будут заметно изменяться как по глубине, так и в горизонтальном направлении, что затрудняет выбор отметки подошвы фундамента. Карстовые породы, представленные на рисунке 13.2, в, обладают особыми свойствами.

Достаточно часто встречается напластование различных по жесткости пород (например, переслаивание жестких песчаников и мягких аргиллитов), представленное на рисунке 13.2, г. Здесь уже основание обладает анизотропией свойств, причем передача нагрузки от фундамента на жесткие слои породы малой толщины может вызвать их изгиб при действии местной нагрузки.

Разломы (крупные тектонические трещины) в основании (рисунок 13.2, д) могут явиться причиной значительных неравномерных деформаций из-за различного залегания кровли породы и уровня подземных вод по обе стороны разлома, повышенной трещиноватости массива вблизи разлома и возможных подвижек по его оси. Наконец, неоднороднаятрещиноватосгь различных участков скального массива (рисунок 13.2, е) также может явиться причиной неравномерных деформаций сооружения вследствие смыкания трещин или взаимного проскальзывания по ним отдельных блоков породы.

Рисунок 13.2. Характерные типы контакта кровли скальных и подошвы рыхлых грунтов (по Р.Гудману): а – рыхлые отложения на коренных породах; б – контакт элювия со скальным грунтом; в – карстовые грунты; г – переслаивание жестких и мягких скальных грунтов; д – зона тектонического разлома; е – неоднородная трещиноватость скальных грунтов

В зависимости от минерального состава скальные и элювиальные грунты могут быть подвержены внешним воздействиям: разрушению и распаду агрегатов сланцев, аргиллитов, алевролитов и других пород под влиянием атмосферных осадков, растворению и выносу гипса или каменной соли подземными водами, набуханию или просадке элювиальных грунтов и некоторых скальных пород при увлажнении и т. д.

Отмеченные выше особенности оснований, сложенных скальными и элювиальными грунтами, вызывают необходимость проведения детальных инженерно-геологических и геотехнических изысканий для строительства, качество которых в значительной мере влияет на надежность и экономичность принимаемых инженерных решений. Особые сложности возникают при определении характеристик прочностных и деформационных свойств грунтов. Как правило, для ответственных сооружений в этих случаях используются полевые методы исследований.

Следует отметить, что в процессе инженерно-геологических изысканий не всегда удается получить необходимую информацию о строении и свойствах массива (наличие и расположение трещин, зон дробления, прослоек нескальных грунтов и т. п.). Часто эти сведения приходится уточнять при вскрытии котлованов под фундаменты. Поэтому одна из задач при проектировании на скальных и элювиальных грунтах заключается в выборе таких типов и конструкций фундаментов, которые могли бы быть оперативно модифицированы и приспособлены к изменившимся условиям непосредственно во время строительства.

Степень выветрелости скальных грунтов рекомендуется устанавливать путем сопоставления плотности ρ выветрелой породы в условиях природного залегания с плотностью ρ_u невыветрелой (монолитной) породы. Чем ближе значения ρ и ρ_u, тем менее выветрена скальная порода. Допускается величину ρ_u принимать равной плотности частиц скального грунта ρ_r.

Количественная оценка степени выветрелости производится по коэффициенту выветрелости k_ur, который определяется по формуле:

k_ur = 1- I_ur, (13.1)

где I_ur = (ρ_r — ρ)/ ρ — показатель выветрелости.

Классификация скальных и элювиальных грунтов по степени выветрелости в соответствии с их классификацией по прочности приведена в таблице 13.1.

Таблица 13.1. Классификация грунтов по κ_ur и R_c

Фундаменты на скальных грунтах.

Закладка фундаментов в массиве скальных грунтов целесообразна, если мощность слоя четвертичных отложений относительно невелика и позволяет осуществить возведение фундаментов в открытом котловане, использовать сваи или буровые опоры. В любом случае целесообразность такого решения должна быть подтверждена технико-экономическим расчетом.

Размеры подошвы фундаментов определяются расчетом по первой группе предельных состояний.

Несущую способность F_d забивных свай, свай-оболочек, набивных и буровых свай, опирающихся на скальный грунт, следует определять как для свай-стоек в соответствии с правилами, приведенными в СНиП 2.02.03 – 85 и СП 24.1333.2011. Свайные фундаменты.

При наличии значительных горизонтальных нагрузок необходимо выполнять проверку устойчивости фундамента на сдвиг по подошве и опрокидывание. Фундаменты, устраиваемые под опоры линий электропередачи, под телебашни и другие сооружения, испытывающие воздействие ветровых нагрузок, должны проверяться расчетом на выдергивание.

Присутствие в основании сооружений наклонно падающих трещин, зон сдвигов, особенно при расположении сооружений на откосах, требует проведения расчетов устойчивости, использующих расчетную схему сдвига по заданной поверхности скольжения. В этом случае нагрузки, передаваемые на скальное основание, могут оказаться ограниченными меньшими пределами, чем определенные по формуле.

Расчеты скальных оснований по деформациям, как правило, не производятся. Исключение могут составлять только особо ответственные сооружения с жесткими требованиями к неравномерным осадкам при значительной неоднородности оснований. Для расчетов сооружений (например, плитных фундаментов) может возникнуть необходимость определения контактных напряжений. Указанные расчеты следует выполнять в соответствии со СНиП 2.02.02 — 85 «Основания гидротехнических сооружений».

При небольшой глубине залегания кровли скальных грунтов применяют монолитные фундаменты, сооружаемые в открытых котлованах. Особое внимание при этом следует уделять обеспечению сохранности поверхности скалы и ее защите от разрушения. Разработка котлована должна вестись мелкошпуровыми зарядами с оставлением защитного слоя и его ручной доборкой непосредственно перед укладкой бетона. Не следует допускать длительного увлажнения поверхности грунта атмосферными или подземными водами. Особенно это опасно в случае сильно размокающих полускальных грунтов. При продолжительных сроках строительства или перерывах в работе вскрытая поверхность скального грунта должна защищаться с помощью распыления асфальтового или бетонного покрытия.

Вскрытые котлованом в местах постановки фундаментов крупные трещины очищают от заполнителя, промывют водой под давлением и заделывают цементно-песчаным раствором на глубину, равную 4...5 ширинам их раскрытия. Более значительные ослабленные зоны, обычно приуроченные к местам пересечения или сгущения трещин, расчищают и заполняют тощим бетоном с уплотнением.

При возведении монолитных фундаментов для уменьшения объема разработки скального грунта поверхность основания под подошвой фундамента часто обрабатывают уступами (рисунок 13.3, а). Такую же обработку применяют для повышения устойчивости фундамента на сдвиг при наличии значительных горизонтальных нагрузок от сооружения. В случае больших выдергивающих нагрузок устраивают выпуски анкеров из фундамента, заделываемых в нижележащий скальный массив. При наклонном залегании кровли скалы подошву фундамента выполняют в виде ступенек (рисунок 13.3, б).

Рисунок 13.3. Характерные схемы фундаментов на скальных грунтах: а,б – фундаменты с уступчатой и ступенчатой подошвой; в – свая – оболочка; г – опускные колодцы; 1 – свая – оболочка; 2 – бетонное заполнение; 3 – арматурный каркас; 4 – буровая скважина в скальном грунте; 5 – скальный грунт; 6 – надфундаментная конструкция; 7 – плита; 8 – опускной колодец

В случае глубокого залегания кровли скальных грунтов применяют свайные фундаменты, сваи-оболочки или опускные колодцы. При использовании забивных свай для лучшего их внедрения в поверхностный слой скалы на острие сваи надевают специальные металлические наконечники.

Сваи-оболочки (рисунок 13.3, в) забуривают в скальный грунт по расчету, но не менее чем на 0,5 м. Диаметр скважины не должен превышать внутренний диаметр оболочки, а для оболочек диаметром 2 м и более обычно диаметр скважины снижается на 20...40%. Скважины в скале армируют каркасом из стержней диаметром не менее 26 мм и спиралью диаметром 8... 10 мм с шагом 10...12 см. Оболочки, опираемые на скальные грунты, могут нести значительные сжимающие нагрузки (10 МН и более). Для восприятия этих сил оболочки обычно полностью заполняются бетоном. В толстостенных оболочках иногда удается ограничиться устройством нижней бетонной пробки.

Значительные затруднения часто возникают при посадке на скальные грунты опускных колодцев. При наклонном залегании скалы не всегда удается равномерно опереть колодец по всему периметру (рисунок 13.3, г), кроме того, верхние слои скальных грунтов могут быть разрушены процессами выветривания и подлежат удалению. Это бывает сопряжено со специальными сложными работами, а иногда и с переоборудованием колодца в кессон.

Выработки под тяжело нагруженные опоры могут вскрыть субвертикальные трещины, зоны дробления породы и разломы с раскрытием, соизмеримым с площадью опирания. В таких случаях обычно идут на дополнительное заглубление фундаментов до отметок, на которых ослабленные зоны выйдут за пределы площади опирания. Например, в процессе сооружения буровых опор под одно из зданий в Чикаго, проектная глубина заложения которых в доломиты составляла около 50 м, пришлось увеличить глубину заложения опор до 60 м, пока зона пересекающихся трещин не вышла из площади опирания.

Субгоризонтальные трещины вблизи поверхности чаще всего раскрыты вследствие разгрузки массива в процессе эрозии. Находясь вблизи подошвы фундамента, такие трещины могут служить причиной неравномерных осадок. В этом случае целесообразна закладка фундаментов или устройство буровых свай с опиранием ниже зоны развития субгоризонтальных трещин или их расчистка и последующая цементация.

Дата добавления: 2015-07-07