Фундаменты на слабых водонасыщенных грунтах

Введение
В современном мире вследствие подъема уровня грунтовых вод и по ряду иных причин складывается тенденция к планированию и возведению зданий на слабых водонасыщенных грунтах. К подобной группе грунтам относят насыщенные водой сильносжимаемые грунты, способные терять свою прочность при обычных нагрузках на основание. Вследствие данного факта уменьшается сопротивление сдвигам, а также возрастает сжимаемость оснований и фундаментов.
Слабый глинистый грунт является дисперсной структурированной системой, имеющей коагуляционный тип структурных связей, а также способную при их разрушении переходить в жидкообразное состояние из твердого.
Текучее состояние грунта определяется посредством степени нарушения структурных связей. При расчетах необходимо учитывать ползучесть, нелинейную деформируемость и проницаемость. Неравномерная загрузка способна привести к колоссальным неравномерным деформациям.
Основной целью данной работы является исследование фундаментов на слабых водонасыщенных грунтах.
Для достижение данной цели выделены следующие, необходимые для решения задачи:
- изучить конструкции фундаментов, применяемые при строительстве на слабых водонасыщенных грунтах, включая строительство на песчаных подушках;
- изучить существующие на сегодняшний день методы проектирования;
- изучить способы улучшения оснований.
1 СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФУНДАМЕНТОВ
1.1 Принцип расчета и проектирования оснований
К слабым водонасыщенным грунтам относят насыщеннные водой сильносжимаемые грунты, которые при обычных скоростях приложения нагрузок на основание теряют свою прочность, вследствие чего уменьшается их сопротивление сдвигу и возрастает сжимаемость. Слабый глинистый грунт – это дисперсная структурированная система с коагуляционным типом структурных связей, способная при их нарушении переходить из твердообразного состояния в жидкообразное. Текучее состояние грунта определяется степенью нарушения структурных связей. При расчете осадок сильносжимаемых водонасыщенных глинистых оснований возникает необходимость учета ползучести, нелинейной деформируемости и проницаемости. Цикличность приложения нагрузок, например, в элеваторах, изменяет прочностные и деформационные свойства грунтов оснований во времени. Неравномерная загрузка отдельных силосов приводит к значительным неравномерным деформациям. Специалисты рекомендуют проводить равномерную первичную загрузку и разгрузку элеваторов.
Значение коэффициентов фильтрации в вертикальном и горизонтальном направлениях отличаются до 10 раз. Общая осадка подразделяется на часть, описываемую теорией фильтрационной консолидации, и часть, описываемую процессами вторичной консолидации.
При проектировании фундаментов мелкого заложения необходимо ограничить:
• средние осадки предельными величинами;
• относительные разности осадок соседних фундаментов предельными значениями;
• скорости протекания осадок допустимыми.
При прохождении сейсмических волн через слабый водонепроницаемый грунт возникает поровое давление и снижаются прочностные характеристики грунта. В этих условиях рекомендуется применять сваи-стойки с полной прорезкой слабых грунтов и опиранием на прочный. Кроме того, возможно применение песчаных подушек, дренажных прорезей с пригрузочными насыпями, известковых свай с последующим уплотнением грунтов тяжелыми трамбовками.
В случае, когда методы уплотнения и упрочнения не дают эффекта, а осадка превышает предельную, необходимы конструктивные мероприятия. К ним относятся: повышение жесткости зданий путем разрезки осадочными швами на отдельные блоки; повышение жесткости каждого блока устройством монолитных железобетонных или сборно-монолитных фундаментов; устройство железобетонных или металлических поясов или армированных швов; устройство жестких диафрагм, например, горизонтальных из плит; повышение гибкости и податливости гибких зданий и сооружений.
1.2 Анализ проблем при проектировании оснований
Слабые водонасыщенные грунты часто залегают на большую глубину. Так, например, вдоль р.Москвы залегают илы на глубину 10-14 м, в г.Архангельске весь промышленный район (р.Кузнечиха) расположен на слабых водонасыщенных глинистых и заторфованных грунтах толщиной 18-22 м. В г.Волгодонске и в основании завода "Атоммаш" залегают слабые водонасыщенные грунты на глубину 20-24 м.
За рубежом (Малайзия, Китай, Индонезия, Ирак, Аргентина и т.д.) имеются территории, где слабые водонасыщенные грунты (преимущественно морские илы) залегают на глубину до 60 м.
При строительстве сооружений на больших толщах слабых водонасы-щенных пылевато-глинистых грунтов необходимо решить ряд сложных задач.
При устройстве фундаментов сооружений на таких грунтах расчетные осадки сооружений получаются очень большими, иногда до 3-4 м. Очевидно, что при таких очень больших осадках будет и большая неравномерность между осадками соседних колонн, стен и т.д.
Другой сложной проблемой является обеспечение устойчивости фундаментов на слабых грунтах. Только в течение длительного времени, в процессе уплотнения грунтов, уменьшается сжимаемость (увеличивается модуль деформации грунтов) и повышаются прочностные характеристики грунтов. Однако именно малой прочностью грунтов объясняются многочисленные аварии сооружений во время строительства на слабых грунтах.
Третьей проблемой, определяющей сложность строительства на больших толщах слабых грунтов, является положение, что процесс уплотнения слабых водонасыщенных пылевато-г .инистых грунтов протекает медленно, в течение длительного времени (несколько месяцев, а иногда несколько лет), и в этот период протекают неравномерные осадки стоящих или построенных сооружений.
Анализ деформаций промышленных и гражданских сооружений, построенных на слабых грунтах по различным технологиям показал, что в большинстве случаев осадки значительно отличаются от фактических осадок.
До настоящего времени не разработаны особенности технологии возведения фундаментов и подземных частей сооружений на слабых грунтах с учетом изменения характеристик грунтов основания в процессе строительства.
2 КОНСТРУКЦИИ ФУНДАМЕНТОВ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ НА СЛАБЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТАХ
2.1 Основные способы устройства фундаментов на сильносжимаемых водонасыщенных грунтах
Применяют следующие способы устройства фундаментов на сильносжимаемых водонасыщенных грунтах:
Рисунок 1 – Способы устройства фундаментов на сильносжимаемых водонасыщенных грунтах
а...в — устройство железобетонных поясов в стене или фундаменте и схема распределения усилий в вертикальном сечении стены при перегибе;
г — песчаные сваи (дрены);
д — вертикальные дренажные прорези;
е — песчаная подушка;
ж — коробчатый «плавающий» фундамент:
з — коробчатый «плавающий» фундамент с оболочкой;
1 — стена; 2 — железобетонные пояса внутри стены или в виде уширенного шва; 3 — пригрузочная насыпь; 4 — горизонтальный дренаж в виде песчаной подушки; 5— дрены; б — дренажные прорези: 7— песчаная подушка; 8 — коробчатые фундаменты: 9 — уровень грунтовых вод:Н — высота расположения железобетонных поясов
1) устройство железобетонных поясов в стенах или фундаментах

. Эти пояса должны воспринимать изгибающие моменты, действующие на здание при его прогибе или перегибе вследствие неравномерной осадки основания. При таком расчете необходимо знать неравномерность осадок, чтобы выявить перераспределение контактных давлений, которое вызывает действие изгибающих моментов. Для определения неравномерности осадок нужны подробные данные по инженерно-геологическим изысканиям, которые дают возможность вычислить осадки и определить их неравномерность;
2)  устройство песчаных дрен в слабом грунте для уменьшения расстояния движения воды из глинистого слабого грунта в целях сокращения времени уплотнения основания. Песчаные дрены диаметром 400...600 мм и глубиной до 20 м выполняют на расстояниях 2,5 м и объединяют по верху горизонтальным дренирующим слоем в виде песчаной подушки толщиной до 1 м, причем для ускорения процесса отжатия воды сверху устраивают пригрузочную насыпь. Там, где нет песка, можно применять картонные дрены или дрены из других искусственных материалов. Вместо песчаных дрен можно устраивать песчаные сваи путем забивки стальных труб с последующим заполнением полости уплотняемым песчаным грунтом;
3)  устройство известковых свай с заполнением негашеной известью проделанных с помощью обсадных труб скважин, что ведет к ее гашению грунтовой водой и увеличению в объеме на 60...80% с уплотнением грунта;
4)  выполнение дренирующих прорезей в виде траншей шириной 60...80 см и глубиной до 5,5 м, заполняемых песком, при большой площади уплотняемого основания толщиной до 7 м. Над прорезями также устраивается песчаная подушка;
5)  устройство песчаных подушек в целях сокращения глубины заложения подошвы фундаментов и передачи давления на большую площадь. Для устройства подушек используют среднезернистый или крупнозернистый песок, а также щебень, гравий или песчано-гравийные смеси. Размеры подушек определяют исходя из необходимости передачи на слабый грунт небольшого давления от фундаментов, меньшего, чем несущая способность слабого грунта;
6) выполнение жесткого сплошного фундамента под всем зданием, выравнивающего неравномерные осадки. Такой фундамент может быть выполнен коробчатым и «плавающим», учитывающим подъемную силу грунтовых вод;
7)  применение свайных фундаментов с развитой боковой поверхностью с учетом эффекта засасывания (вторичное повышение сопротивления во времени по боковой поверхности). Этот эффект нужно устанавливать экспериментально, путем статических испытаний свай на строительной площадке. При некоторых грунтовых напластованиях необходим учет отрицательного трения, если часть грунта, контактирующего с боковой поверхностью свай, будет испытывать большие осадки (будет стремиться переместиться вниз относительно боковой поверхности свай и зависать на боковой поверхности, создавая дополнительную нагрузку на сваю).
2.2 Инновационное строительство на песчаных грунтах
Песчаная подушка представляет собой стабильную опору в виде крупного песка, гравия или бетона под любой тип фундамента, которая также обеспечивает его общую устойчивость и исключает возможность проседания.
Фундамент без подушки из песка потеряет все свои несущие функции, а именно срок эксплуатации дома значительно снизится, начнется постепенная деформация стен, оконных и дверных проемов. Также появятся сквозняки и нарушения в гидроизоляции, что влечет за собой гниение использованных строительных материалов.
Рисунок 2 -  Песчаная подушка для фундамента (разрез)
Песчаная опора позволяет поднять нижний уровень фундаментальной конструкции выше прохождения грунтовых вод и обеспечивает ее изоляцию от соприкосновения с другими материалами, вызывающими деформацию. Отсюда следует, что подушка из песка играет важную роль при возведении и последующего использования какого-либо вида фундамента.
Рисунок 3 - Устройство песчаной подушки свайного фундамента
Перед тем, как создавать песчаную подушку, необходимо учесть:
уровневый фактор протекания грунтовых вод;
общий проект дома;
климат в регионе, то есть температурные перепады, количество осадков;
уровень промерзания грунта;
чередование плотных и слабых почвенных слоев.
 
2.3 Виды подушек для фундамента
Песчаная подушка. Является универсальным видом, используемым под разные типы фундаментов, будь то ленточный или свайный. Подушка из песка идеальна и проста в применении для построек хозяйственного назначения. Ее низкая стоимость не будет обременительной даже для самого бюджетного варианта. Песок должен быть только крупного состава. Мелкозернистая песчаная смесь не годится для создания качественной опоры.
Песчаная подушка, как опора под любой вид фундамента, может применяться только при соблюдении некоторых правил:
Дома и постройки с небольшой общей массой (каркас, легкие блоки, в отдельных случаях и брус).
Уровень протекания грунтовых вод находится на значительной глубине от нижней части фундамента. В противном случае, песок очень хорошо размывается водой.
Максимум два этажа в здании, так как опора из песка плохо выдерживает большую нагрузку.
Хорошая утрамбовка песка с постоянным увлажнением. Это обеспечит необходимую плотность подушки и повысит ее несущую функцию.
Весь лишний грунт должен быть тщательно удален. Его смешение с песком уменьшает связывание составных частей материала.
Рисунок 4 -  Насыпь песчаной подушки под фундамент
 
Гравийная подушка. Имеет большую прочность и, следовательно, несущую способность, чем песчаная опора. Основной составляющей такой подушки является гравий. Может использоваться под любой тип фундамента.
Плюсы подушки из гравия:
Здание может быть построено из любого материала, начиная от каркаса до блоков с большой массой.
Любая планировка и этажность дома или постройки.
Меньшее воздействие грунтовых вод на целостность подушки, т.е. дренажная функция.
Равномерное разделение общей массы здания на фундамент.
При необходимости гравий может смешиваться с песком.
Гравий должен выбираться среднего размера, не мелкий и не крупный. Для большей прочности и равномерности расположения подушки, гравий необходимо смешать с крупнозерновым песком. Гравийная подушка под фундамент используется на участках, которые не отвечают всем требованиям для строительства. Она противостоит общей усадке фундаментальной конструкции и повышает ее устойчивость.
 
Рисунок 5 -  Гравийная подушка для фундамента
 
Бетонная подушка. Применяется только под ленточный фундамент для зданий с большим весом. Такие строения могут относиться как к жилому назначению, так и к промышленному.
Бетонные подушки выполняют основную опорную функцию, отвечая за общую стабильность всего здания.
Могут применяться как на сухих грунтах, так и водонасыщенных. Но в последнем случае необходим тщательный контроль над качеством бетона по ГОСТу.
Перед монтажом бетонной подушки необходима тщательная разведка по уровню промерзания грунта, типу почвы и ее сейсмоустойчивости, перепаду климатических температур и точному расчету глубины расположения фундамента.
Рисунок 6 -  Бетонная подушка
Железобетонная подушка