книги из ГПНТБ / Абелев М.Ю. Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания сооружений 8-й междунар. конгресс по механике грунтов и фундаментостроению

M.Ю. АБЕЛЕВ, доц. канд. техн. наук

СЛ А Б Ы Е В О Д О Н А С Ы Щ Е Н Н Ы Е

Г Л И Н И С Т Ы Е Г Р У Н Т Ы КАК ОСНОВАНИЯ СООРУЖЕНИЙ

МЕЖДУНАРОДНЫЙ

-4 К О Н Г Р Е С С — ПО МЕХАНИКЕ ГРУНТОВ у

И ФУНАДМЕНТОСТРОІНИЮ

М О С К В А , С Т Р О Й И З Д А Т — 1 9 7 3

УДК 624.15 : 624.131.22

ства на слабых водонасыщенных глинистых грунтах. Описаны су­ ществующие теории уплотнения слабых водонасыщенных глин, мето­ ды ускорения уплотнения грунтов вертикальными песчаными и кар­ тонными дренами и рассмотрены методы проектирования оснований сооружений с вертикальными дренами по предельным состояниям. Приведены технологические схемы устройства вертикальных песча­ ных дрен и дренажных прорезей и примеры применения вертикально­ го дренирования при строительстве различных сооружений на слабых водонасыщенных грунтах.

Книга предназначена для научных и инженерно-технических ра­ ботников научно-исследовательских, проектных и строительных орга­ низаций, работающих в области фундаментостроения.

Табл. 21, рис. 93, список лит.: 62 назв.

А 0326—242 101-73

047 (01)-73

Введение

Слабыми водонасыщенными глинистыми грунтами на­ зываются грунты со степенью влажности больше 0,8 и модулем общей деформации меньше 50 кгс/см2 в диапа­ зонах давлений до 3 кгс/см2. К таким грунтам относятся ленточные глины, морские и пресноводные илы, водонасыщенные лёссовые и лёссовидные грунты и другие типы глинистых грунтов, имеющие текучую и пластичную кон­ систенцию.

Слабые водонасыщенные глинистые и заторфованные грунты широко распространены на территории СССР и многих других стран (США, Китай, Индия, Ирак и др.). Строителям часто приходится использовать такие грунты в качестве оснований промышленных, гражданских, гид­ ротехнических и транспортных сооружений. В связи с развитием ирригации в СССР большие массивы мало­ влажных грунтов стали водонасыщенными (например, в Узбекской, Таджикской, Казахской, Украинской союз­ ных республиках). Часто из-за необходимости использо­ вания для технологических нужд большого количества воды промышленные сооружения располагают в доли­ нах рек и по побережью озер и морей. В основании та­ ких сооружений в подавляющем большинстве залегают слабые водонасыщенные грунты.

Особенно большой размах приобрело строительство на слабых водонасыщенных грунтах в связи с запреще­ нием возведения сооружений на пахотных землях. По­ этому в наши дни строители часто используют под объек­ ты площадки, которые еще 10—15 лет тому назад приз­ навались геологами непригодными для возведения сооружений.

Свойства слабых водонасыщенных глинистых грунтов исследовались в СССР начиная с 30-х годов. Большие ра­ боты по исследованию илов были проведены в НИИОСПе

(бывш. ВИОС, НИИ-100) чл.-корр. АН СССР H. М. Герсевановым [15], проф. Ю. М. Абелевым [7] и В. Г. Бу­ лычевым [38], Д. Е. Польшиным, Г. В. Сорокиной [48], Е. В. Светинским [45] и др. Слабые водонасыщенные грунты исследовали чл.-корр. АН СССР Н. А. Цытович [53], проф. H. Н. Маслов [32, 33] и M . Н. Гольдштейн [16, 17], чл.-корр. АН СССР В. А. Флорин [52], В. П. Си-

ряде других научно-исследовательских и проектных ин­ ститутов. Большие научно-исследовательские работы по изучению слабых глинистых грунтов и разработке мето­ дов строительства на слабых глинистых грунтах были проведены на кафедрах «Основания и фундаменты» МИСИ им. В. В. Куйбышева, Л И С И Днепропетровского института инженеров железнодорожного транспорта, Одесского инженерно-строительного института и в дру­

ний сооружений был посвящен ряд докладов на между­ народных конгрессах по механике грунтов и фундаментостроению (1957, 1961, 1965, 1968 и 1969 гг). и ряд всесо­ юзных совещаний (1939, 1956, 1965 и 1971 гг.). Решению вопросов, связанных с исследованием слабых водонасы­ щенных грунтов, проектированием различных сооруже­ ний на них и методами строительства (с учетом извест­ ных аварий сооружений на слабых водонасыщенных грунтах), были посвящены всесоюзные совещания в Тал­ лине (1965 г.) и Риге (1971 г.) [47, 49].

Трудность использования слабых водонасыщенных глинистых грунтов в качестве оснований гражданских, промышленных, гидротехнических, транспортных и дру­ гих сооружений определяется следующим:

1. Сооружения, возведенные на слабых водонасыщен-

4

ных глинистых грунтах с модулем общей деформации меньше 50 кгс/см2, испытывают большие осадки, обуслов­ ленные высокой сжимаемостью грунтов. Известны, на­ пример, сооружения, построенные на толщах водонасыщенных глинистых грунтов в X V I I — X V I I I вв., осадка ко­ торых достигла 1,5—2 м (церкви в Москве и Боровске, в районе Архангельска, в Прибалтике и т. п.).

2.Сильносжимаемые водонасыщенные глинистые

(при испытании грунтов по методике быстрого сдвига). Поэтому обеспечить устойчивость фундаментов и отдель­ ных сооружений, возведенных на толще таких грунтов, очень сложно. Особенно трудно обеспечить устойчивость сооружений с эксцентричным приложением нагрузки к фундаментам и при действии горизонтальных сил (напри­ мер, при строительстве дымовых труб, химических ко­ лонн, опор линий высоких передач и других сооружений, у которых центр тяжести расположен высоко). Большие сложности возникают и при устройстве на слабых водонасыщенных глинистых грунтах дамб и земляных плотин, так как обеспечить устойчивость самих сооружений и их откосов в этих случаях очень трудно.

3. Осадка сооружений, расположенных на слабых водонасыщенных глинистых грунтах, происходит в течение длительного времени. Это объясняется тем, что уплотне­ ние водонасыщенных грунтов в основном определяется процессами отжатия воды, заполняющей поры грунта, к дренажным поверхностям. Так как коэффициент фильт­ рации глинистых грунтов очень мал (ICH3 —10~9 см/сек), то процесс уплотнения происходит в течение длительного времени, особенно, когда основания сложены большими толщами водонасыщенных глинистых грунтов. В процес­ се уплотнения (консолидации) сжимаемость грунта уменьшается (по сравнению с его сжимаемостью до уп­ лотнения) , а прочность (сопротивление сдвигу) увеличи­ вается. Таким образом, низкая водопроницаемость и мед­ ленное отжатие поровой воды в процессе уплотнения слабых водонасыщенных грунтов существенно определя­ ют медленное нарастание прочности и модуля общей де­ формации грунтов.

Следует отметить, что целостность и эксплуатацион­ ная пригодность сооружений зависят не только от вели­ чины осадок, но и от скорости проявления этих осадок во

6

времени. Наблюдения показывают, что сооружения, у ко­ торых осадки фундаментов происходили в течение дли­ тельного времени, обычно не дают трещин. В них наблю­

док фундаментов значительно превышает скорость раз­ вития пластических деформаций конструкций.

До последнего времени для расчетов времени осадок сооружений, построенных на водонасыщенных грунтах, использовалась теория фильтрационной консолидации, разработанная К- Терцаги [51]. Эта теория предполага­ ет, что грунты имеют нарушенную структуру, все поры в них заполнены водой, поровая вода несжимаема и фильт­ рация при отжатии поровой воды происходит в соответ­ ствии с законом Дарси.

Наблюдения за осадками существующих сооружений и за развитием осадок во времени показали, что во мно­ гих случаях фактические осадки и скорости их протека­ ния значительно отличаются от расчетных данных, полу­

[1, 2], 3. Г. Тер-Мартиросян) [551, МАДИ (H. Н. Маслов, Э. М. Добров) [33] и ВОДГЕО (В. М. Павилонский) [37], а также другими специалистами, позволили устано­ вить, что фильтрация в глинистых и заторфованных грун­ тах происходит с отклонением от закона Дарси, и выявить явление «начального градиента напора». Эти исследова­ ния, кроме того, показали, что после приложения давле­ ния к водонасыщенным грунтам основания природной структуры поровой водой воспринимается не вся нагруз­ ка (как предполагается по теории фильтрационной кон­ солидации), а только ее часть.

В настоящее время еще отсутствуют унифицирован­ ные методы определения характеристик сжимаемости, прочности и водопроницаемости слабых водонасыщен­ ных грунтов, необходимые для расчетов и проектирова-

6

ния искусственных оснований, что мешает внедрению разработанных расчетов в практику. Поэтому автор в главе I приводит некоторые методики лабораторных оп­ ределений свойств слабых грунтов.

Современные методы проектирования сооружений учитывают совместную работу сооружения и основания. Многочисленные исследования показали, что деформативные и прочностные характеристики слабых водонасыіценных грунтов в значительной мере зависят от соору­ жения, возводимого на таких грунтах, поэтому автор рассматривает различные методы получения характери­ стик прочности и деформируемости грунтов в зависимо­ сти от типов возводимых сооружений и методов расчета оснований.

Как уже упоминалось, основные сложности, возника­ ющие при строительстве сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах, обусловлены медленным отжатием поровой воды до дренажной поверхности. Вре­ мя отжатия воды (время консолидации) зависит от пути фильтрации, который проходит отжимаемая вода до дре­ нажной поверхности. Чтобы уменьшить время уплотне­ ния и ускорить процессы консолидации слабых водонасыщенных грунтов, в основании на определенном рассто­ янии друг от друга устраивают вертикальные дрены из песка или картона. При обжатии грунтов вода отжима­ ется из пор в дрену и поднимается по ней вверх, так как коэффициент фильтрации материала дрены во много раз больше коэффициента фильтрации окружающего грунта. Над песчаными дренами устраивают горизонтальную дренажную (обычно песчаную) подушку для отвода во­ ды из дрен. В результате за короткое время удается по­ лучить грунты с высокими прочностными и деформативными характеристиками. Этот метод впервые был успеш­ но использован в 1933 г. при строительстве ГЭС Свирь-3 (автор метода академик Г. О. Графтио), а в настоящее время широко применяется в СССР и других странах (США, Японии, Индии, ФРГ, Франции и др.) при строи­ тельстве транспортных сооружений, промышленных, гид­ ротехнических, сельскохозяйственных и гражданских объектов.

Следует отметить, что вертикальные песчаные дрены начинают «работать» только тогда, когда к поверхности площадки, в основании которой устроены дрены, прикла­ дывается нагрузка. Нагрузка необходима для создания

7

напора, под действием которого поровая вода будет пе­ ремещаться до дренажной поверхности. В качестве на­ грузки наиболее часто применяют земляные насыпи вы­ сотой до 20 м. Однако в ряде случаев при возведении таких пригрузочных насыпей грунты основания теряют устойчивость, и поэтому высота пригрузочной насыпи часто определяется прочностными характеристиками грунтов основания. В связи с этим пригрузочные насыпи обычно возводят послойно, т. е. каждый последующий слой укладывают после уплотнения и повышения проч­ ностных характеристик грунтов основания. Высота слоя пригрузочной насыпи должна быть такой, чтобы основа­ ние не потеряло устойчивости.

Начиная с 1950 г. по предложению проф. Ю. М. Абелева [6] для уплотнения слабых водонасыщенных гли­ нистых грунтов широко применяют песчаные сваи, пред­ ставляющие собой вертикальные песчаные дрены, вокруг которых создаются зоны уплотнения.

Под действием напряжений, возникающих при изго­

ся в тело песчаной сваи. При применении песчаных свай не требуется устройства пригрузочной насыпи. Однако в основании сооружений требуется в несколько раз боль­ шее количество песчаных свай, чем при устройстве на та­ кой же площади вертикальных песчаных дрен. Обычно расстояние между центрами вертикальных песчаных дрен принимается равным 2—6 м, а песчаных свай—0,8—1,5 м.

Опыт применения песчаных свай в СССР показал, что этот метод эффективен при возведении промышленных и гражданских сооружений на слабых глинистых грунтах, но отсутствие методов расчета консолидации грунтов ос­ нования при устройстве песчаных свай не позволяло ус­ тановить пределов его применимости. Несколько объек­ тов, построенных в Прибалтике на песчаных сваях, испы­ тали большие осадки, что дало повод некоторым специа­ листам усомниться в эффективности рассматриваемого метода. Однако истинной причиной возникновения боль­ ших осадок упомянутых сооружений явилась неудачная технология устройства песчаных свай, не позволяющая создать непрерывные по длине песчаные сваи. В настоя­ щее время разработано несколько типов технологии уст­ ройства песчаных свай, гарантирующих их непрерыв-

8