Особенности устройства оснований зданий и сооружений, возводимых на слабых сильносжимаемых грунтах

ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ, ВОЗВОДИМЫХ НА СЛАБЫХ СИЛЬНОСЖИМАЕМЫХ ГРУНТАХ

Сагалаков Г.В., Селиванов М.А., Гинзбург А.В., Лейбман Д.М.

ГАСИС

В результате повсеместного подъема уровня подземных вод на территориях городов, в том числе сооружений, которые в последние годы оказались в окружении различных сооружений, ранее считавшиеся нормальными, стали водонасыщенными. В связи с этим, все более актуальным становиться вопрос строительства сооружений на таких грунтах и эффективная эксплуатация готовых сооружений.

Научные исследования эффективных технологий устройства оснований и фундаментов сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах проводились под руководством М.Ю. Абелева.

Исследования показывают, что в условиях природного залегания слабые грунты обладают структурными связями и проявляют повышенную сжимаемость только при давлениях, превышающих структурную прочность. Тиксотропия заключается в том, что при определенных механических воздействиях структурные связи в грунтах разрушаются, резко снижаются показатели прочностных и деформационных свойств. Однако с течением времени структурные связи, имеющие обратимый характер, восстанавливаются, и происходит упрочнение грунта. В основном, все слабые грунты имеют низкую прочность (угол внутреннего трения ф = 10... 16°, удельное сцепление с = 5...30 кПа) и большую сжимаемость (модуль общей деформации, как правило, меньше 5000 кПа в интервале давлений, характерных для фундаментов гражданских и промышленных зданий).

На территориях многих сооружений и жилой застройки слабые грунты чаще всего находятся в водонасыщенном состоянии и обладают малой водопроницаемостью. При незавершенной консолидации основания (особенно при их быстром загружении) это может привести к существенному снижению его несущей способности.

Расчет по 1-й группе предельных состояний при степени влажности слабых грунтов > 0,85 и коэффициенте консолидации су < 107 см2/год является обязательным. Несущая способность основания должна определяться с учетом возможного нестабилизи-рованного состояния грунтов. Величину избыточного порового давления допускается определять методами теории фильтрационной консолидации. При соответствующем обосновании (высокие темпы возведения сооружения или нагружения его эксплуатационными нагрузками, отсутствие в основании дренирующих слоев грунта или дренирующих устройств) допускается в запас надежности принимать величину избыточного давления в поровой воде равной тотальному (полному) нормальному напряжению по площадкам скольжения или назначать расчетные значения ф1, и с1 соответствующими нестабилизированному состоянию грунтов основания, определяя их по схеме неконсолидированного сдвига.

Анализ многочисленных аварий и деформаций зданий и сооружений, возведенных на слабых водонасыщенных грунтах, показал непригодность этих грунтов в качестве оснований в естественном состоянии. Согласно нормативным документам устройство ос-

нований на таких грунтах без специальных мероприятий, улучшающих их свойства, не допускается.

Расчет по 2-й группе предельных состояний слабых сильносжимаемых грунтов также имеет свои особенности. Если непосредственно под подошвой фундамента залегает слой грунта с модулем деформации Е < 5000 кПа толщиной более ширины фундамента Ь осадка основания должна определяться с учетом полного (среднего) давления по подошве фундамента (СНиП 2.02.01-83*). В расчете по деформациям основания, содержащего биогенные грунты или илы, нижнюю границу сжимаемой толщи рекомендуется принимать на такой глубине, где дополнительные напряжения составляют 3 кПа. Давление по подошве фундамента р на сильносжимаемые грунты ограничивается величиной расчетного сопротивления Я, т. е. р < Я. При определении величины Я для грунтов оснований, включающих водонасыщенные биогенные грунты и илы, принимают пониженное значение коэффициента условий работы грунтового основания ус1.

Конечная осадка и время консолидации слоя слабого грунта при отсыпке на него песчаного слоя определяется без учета осадки подстилающего слоя, если модуль деформации последнего в 10 раз и более превышает модуль деформации слабого грунта.

Если расчетные деформации оснований, сложенных слабыми сильносжимаемыми грунтами, более предельно допустимых или недостаточна их несущая способность, должны предусматриваться специальные мероприятия, обеспечивающие надежность проектируемых сооружений.

Исследования были проведены с целью разработки технологий устройства оснований фундаментов сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах/

Исследования показали, что при устройстве сооружений на слабых водонасыщен-ных глинистых грунтах мероприятия по улучшению оснований должны разрабатываться с учетом типа основания, характера напластования и вида грунтов, особенностей их физико-механических свойств, гидрогеологических условий площадки строительства, конструктивных особенностей сооружений, а также предъявляемых к нему эксплуатационных требований.

Предварительное (предпостроечное) уплотнение слабых водонасыщенных глинистых грунтов должно быть осуществлено временной или постоянной пригрузкой (при выдержанной по простиранию верхних слоев этих грунтов). Пригрузка создается отсыпкой на поверхность площадки строительства грунта с устройством фильтрующего слоя из песка для ускорения процесса консолидации основания.

На основе анализа практики строительства и наблюдений проведенных на строительных объектах было установлено, что во многих случаях, при возведении больших сооружений, эффективным мероприятием при строительстве на слабых грунтах (при расположении слабого грунта в верхней части основания) является прорезка (полная или частичная) их глубокими фундаментами, в том числе свайными. При применении свайных фундаментов прорезающих сильносжимаемые грунты, их несущая способность определяется с учетом возможного развития отрицательного трения от оседающего вокруг свай грунта.

Натурные исследования показали, что при необходимых случаях эффективность полной или частичной замены слабых грунтов песком, гравием, щебнем и т. д. в пределах сжимаемой толщи выполняется путем устройства распределительных подушек. Применение подушек дает возможность снизить давления на подстилающие слабые грунты. Это позволяет уменьшить, а при полной замене слабых грунтов - весьма суще-

ственно, расчетные деформации оснований. Здесь важным фактором является правильное уплотнение отсыпаемых грунтов и правильный выбор строительной техники.

На многих объектах удачно применен метод глубинного уплотнения слабых водо-насыщенных глинистых грунтов песчаными сваями, устраиваемыми в скважинах по рассмотренной выше технологии.

Эффективность применяемых технологий устройства оснований и фундаментов сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах была подтверждена результатами экспериментальных исследований и мониторинга за деформациями сооружений, как в процессе возведения, так и после завершения строительства.

Выбор технологии производства работ и размеров подземных частей возводимых сооружений производился на основе результатов исследований проведенных на экспериментальных площадках.

В процессе исследований была изучена эффективность конструктивных мероприятий при возведении сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах.

Проведенные исследования показали необходимость одновременного принятия мероприятий по улучшению строительных свойств слабых водонасыщенных глинистых грунтов и конструктивных мероприятий для проектируемых сооружений. Это обусловлено тем, что при возведении сооружений на водонасыщенных глинистых грунтах невозможно полностью исключить развитие неравномерных осадок. Кроме этого неравномерные осадки могут происходить также из-за плохого качества работ по уплотнению грунтов и неточности расчета дополнительных ожидаемых осадок грунтов оснований.

В таких случаях необходимым конструктивным решением является изменение типа и размеров фундаментов возводимых сооружений позволяющих уменьшить давление, передаваемое на грунты основания сооружений. Для этого применяются фундаменты следующих типов: плитные, коробчатые, ленточные из перекрещивающихся лент и т.д.. Эти типы фундаментов позволяют выравнивать осадки основания увеличением жесткости возводимого сооружения.

При строительстве сооружений на слабых водонасыщенных грунтах необходимо обеспечить также сохранение неизменным напряженное состояние грунтов, возникшего после приложения нагрузок, в течение всего эксплуатационного периода. Изменение напряженного состояния в слабых грунтах может быть вызвано возведением тяжелых сооружений около существующих, выполнением подсыпки территории, понижением уровня подземных вод и другими причинами. В образующейся при этом зоне аэрации происходят процессы гниения органических остатков, которые приводят к медленно развивающимся, но значительным по величине осадкам сооружений.

При применении свайных фундаментов осадки будут обусловлены возникновением отрицательного трения. Указанные дополнительные осадки и оседания оснований могут явиться причиной нарушения нормальной эксплуатации сооружений и территорий сооружений.

С целью уточнения обоснованности и достоверности результатов, предложенных расчетов консолидации, было проведено их сравнение с данными натурных наблюдений за изменением осадок во времени. При расчетах были использованы измеренные значения осадок экспериментальных сооружений, расположенных на слабых водонасыщен-ных глинистых грунтах.

Были проведены исследования особенностей деформирования слабого водонасы-щенного грунта по глубине. Для определения послойных деформаций была установлена

система марок. Нивелирование проводилось по II классу точности. Наблюдения проводились в течение 32 месяца с небольшими перерывами. Результаты наблюдений за осадками марок, установленных на стенах сооружения, во времени приведены на рис. 1.

Рис. 1. Графики развития осадок водонасыщенного глинистого грунта по маркам (1, 3, 4, 5, 6, 7,

8) и теоретически (2) во времени

Для определения физико-механических свойств слабых водонасыщенных грунтов основания были проведены лабораторные исследования. Согласно данным этих исследований были установлены значения модуля общей деформации (Е0) по данным компрессионных испытаний на 16 образцах и значения угла внутреннего трения (ф) и удельного сцепления (С) по результатам лабораторных исследований на срезных приборах одноплоскостного сдвига на 25 образцах грунта с ненарушенной структурой. В этих опытах было установлено, что при фильтрации через образцы грунтов, отобранных из основания, наблюдалось отклонение от закона Дарси, то есть было установлено, что для этих грунтов характерно значение начального градиента напора.

Знание всех характеристик сжимаемости, прочности и проницаемости грунтов оснований позволило сопоставить данные расчетов по формулам, приведенным в предыдущем разделе с данными фактических наблюдений за осадками сооружения во времени.

Литература.

1. Абелев М.Ю. Строительство промышленных и гражданских сооружений на слабых водонасыщенных грунтах. М.: Стройиздат, 1983, -248 с.

2. Абелев К.М. Технология устройства оснований и фундаментов в сложных грунтовых условиях. М. : ГАСИС, 2001. 112 с.

3. Абелев Ю.М., Абелев М.Ю. Основы проектирования и строительства на просадочных макропористых грунтах. М.: Стройиздат, 1979. 271 с.

4. Инструкция по инженерно-геологическим и геоэкологическим изысканиям в г.Москве. Утверждена и введена в действие указанием Москомархитектуры от 11.03.04 N 5.

5. Рекомендации по оценке геологического риска на территории г.Москвы / Под ред. А.Л.Рагозина / Москомархитектура, ГУ ГОЧС г.Москвы. М.: ГУП «НИАЦ», 2002.

Рецензент: Зав. каф. ИНТ ГОУ ДПО ГАСИС Лауреат Государственной премии СССР, Заслуженный строитель России, профессор, д.т.н. Абелев М.Ю.