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

дуемое основание как однородное (с отсутствием в нем пластических деформаций).

Максимальные напряжения под центром штампа на глубине 0,2 м от его подошвы при средней нагрузке на штамп 0,8 кгс/см2 составляли 0,74—0,78 кгс/см2. На глу­ бине 1,7 м при той же нагрузке на штамп напряжения соответственно составляли 0,163 и 0,208 кгс/см2. Из это­ го сопоставления видно, что «затухание» напряжений по глубине значительно.

Вертикальные напряжения в основании под жестким круглым фундаментом можно теоретически определить по уравнениям К. Е. Егорова (1938 г.). Мы провели сравнение фактических напряжений под штампом (рис. 11.12) и напряжений, рассчитанных по решению К. Е. Его­

рова,	для точек, расположенных на глубине 0,2; 0,7; 1,2
и 1,7	м (рис. 11.12). Из сравнения видно, что напряже­

ния, измеренные в процессе полевых опытов, незначи­ тельно отклоняются от теоретических значений.

Отклонения эти возрастают с глубиной, и на глуби­ не, примерно равной двум диаметрам штампа, достига­ ют 35—40%.

Наблюдаемое распределение напряжений в дефор­ мируемой зоне основания позволяет сделать вывод, что «активная зона» в водонасыщенных слабых глинистых грунтах распространяется на большую глубину и отли­ чается от зоны, рассчитанной по нормативным докумен­ там. Это явление подтверждает высказанное Н. А. Цытовичем в 1967 г. предположение о зависимости глубины «активной зоны» от коэффициента бокового расширения и величины структурной прочности грунтов основания (см. п. 2 главы I I ) .

Осадки жестких штампов на илах оз. Сиваш, полу­ ченные расчетным -путем с учетом фактического рас­ пределения напряжений, достаточно близки к значени­ ям измеренных осадок.

Для определения эпюр горизонтальных и касатель­ ных напряжений в нескольких опытах были установле­ ны мессдозы на глубине 0,2; 0,7; 1,3 и 1,85 м от подошвы штампа. Все эти измерения проводились с двукратной или трехкратной повторностью. В опытах использова­ лись мессдозы той же конструкции и с такой же чувст­ вительностью, как и для определения вертикальных на­ пряжений в основании. Мессдозы тарировали в стабилометре и при гидростатическом нагружении до 3 кгс/см2.

122

После окончания опытов и контрольной проверки извле­ ченных мессдоз оказалось, что только 11 из 29 сохраняют такие же тарировочные кривые, как до опыта. Так как количество данных о распределении горизонтальных и касательных напряжений в глубине основания штампа было невелико, то построить замкнутые эпюры (ли­ нии одинаковых горизонтальных и касательных напря­ жений) не удалось. Однако в связи с тем, что для одной и той же точки имелись данные о величине касательных, горизонтальных и вертикальных напря­ жений, можно было установить развитие горизонталь­ ных и касательных напряжений при увеличении вер­ тикальных напряжений во время роста нагрузок на жесткий металлический штамп площадью 10 тыс. см2.

Как	показали опыты, при	напряжениях	0,1—
0,2 кгс/см2	под подошвой штампа	коэффициент	боково­

го расширения был равен 0,12—0,17. При увеличении напряжений до величины, значительно превышающей структурную прочность сжатия грунтов (опыты прово­

дились на илах оз. Сиваш,			а	в	1970 г.		на	морских
илах Мурманска), коэффициент				бокового			расширения
значительно		увеличивается. Так, для илов оз. Сиваш
при	давлении	под штампом 0,4—0,5 кгс/см2					коэффици­
ент	бокового	расширения образцов			грунта		на	глубине
0,7 м был равен 0,27—0,31, а при увеличении								давления
до 0,9 кгс/см2		он увеличивался		до 0,35—0,38. При ис­
следовании илов Мурманска			оказалось,			что при давле­
ниях под штампом 0,2 кгс/см2			на глубине			1 м под цент­
ром	штампа	площадью 10 тыс. см2 коэффициент боко­

вого расширения был равен 0,11—0,14. При увеличении же давления до 0,8 кгс/см2 в этой же точке коэффициент бокового расширения грунта составил 0,32—0,36. При давлении 1,3 кгс/см2 (предельная нагрузка на штамп соответствовала давлению 1,5 кгс/см2) коэффициент бо­ кового расширения в этой точке возрос до 0,38—0,42.

Проведенные опыты показывают, что соотношение между вертикальными и горизонтальными напряжения­ ми в пределах напряженно-деформативной зоны под по­ дошвой фундаментов и штампов переменно и зависит от приближения нагрузки на штамп к предельной. Эти опыты, кроме того, хорошо согласуются с лаборатор­ ными исследованиями рассматриваемых грунтов на стабилометрах при определении коэффициента бокового расширения (при различных напряженных состояниях образцов).

124

Г л а в a 111
МЕТОДЫ СТРОИТЕЛЬСТВА	СООРУЖЕНИИ
НА СЛАБЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ		ГЛИНИСТЫХ
ГРУНТАХ

1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ СТРОИТЕЛЬСТВА НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ

Строительство сооружений на слабых водонасыщен­ ных глинистых грунтах всегда являлось очень сложным и трудоемким процессом. Это связано с тем, что соору­ жения, построенные на таких грунтах, испытывают большие осадки, мало устойчивы, а осадки их протека­ ют в течение длительного времени (часто в течение не­ скольких десятилетий). Наиболее часто в этих случаях устраивали свайные основания из жестких свай (дере­ вянных, железобетонных, металлических, набивных бе­ тонных и железобетонных). Если в основании залегали большие толщи слабых водонасыщенных глинистых грунтов, устраивали висячие жесткие сваи. Однако, как показали наблюдения за работой таких сооружений, большинство из них все равно испытывало значитель­ ные осадки (например, древние соборы в Боровске, Исаакиевский собор, один из станов металлургического завода в Новокузнецке, жилые здания на Фрунзенской набережной в Москве, некоторые промышленные здания

вРиге и т. д.).

Вкачестве искусственного основания на слабых во­ донасыщенных глинистых грунтах в основании жилых зданий и промышленных сооружений часто применяют песчаные подушки. В настоящее время устраивают пес­

чаные подушки толщиной до 7 м, хотя наиболее часто в практике гражданского и промышленного строитель­ ства применяются песчаные подушки толщиной 1—2 м.

Песчаные подушки позволяют уменьшить глубину заложения фундаментов, что особенно важно при уст­ ройстве фундаментов в котлованах с высоким стоянием уровня грунтовых вод. В этом случае песчаные подуш­ ки укладывают прямо под воду, а фундаменты возводят

125

выше уровня грунтовых вод. Этот прием часто исполь­ зуют строители в Прибалтике и на о. Сахалин.

Песчаные подушки распределяют давление на пло­ щадь, большую, чем подошва фундамента, и поэтому величина давления, приходящегося на слабые водона­ сыщенные грунты основания, оказывается меньше дав­ ления под подошвой фундамента.

Песчаные подушки увеличивают устойчивость фун­ даментов, так как в большинстве случаев прочностные характеристики песчаных грунтов (угол внутреннего трения и сцепления) значительно выше прочностных ха­ рактеристик подстилающих сильносжимаемых водона­ сыщенных глинистых грунтов.

Применение их уменьшает осадки фундаментов, так как модуль общей деформации песчаных грунтов в теле песчаной подушки (120—200 кгс/см2) в несколько раз превышает модуль деформации сильносжимаемых водо­ насыщенных глинистых грунтов. Кроме того, устройство сплошной песчаной подушки под ленточные фундамен­ ты (или под несколько отдельно стоящих фундаментов) уменьшает неравномерность осадок соседних фундамен­ тов. Это достигается уменьшением общей величины осадки фундаментов и перераспределением напряжений в лежащих под песчаной подушкой грунтах. Песчаные подушки из среднезернистых и крупнозернистых песков с небольшим содержанием пылеватых и глинистых час­ тиц уменьшают глубину заложения фундаментов, так как пучинистые водонасыщенные глинистые грунты за­

меняются	непучинистыми	песчаными грунтами.
Особое	значение приобретают песчаные подушки
в качестве	дренирующего	слоя, т. е. для дренажа поро-

вой воды из нижележащих водонасыщенных глинистых грунтов. Поровая вода отжимается в процессе уплот­ нения грунтов под действием нагрузки от сооружения или от веса подушки. При этом процесс консолидации грунтов основания ускоряется.

При толщах слабых водонасыщенных глинистых грунтов меньше 12 м и небольших размерах проекти­ руемых сооружений в плане часто применяют железобе­ тонные и деревянные сваи, которые полностью прореза­ ют слой слабых грунтов и передают нагрузку более прочным малосжимаемым грунтам. За последние 30— 40 лет, однако, в практике устройства свайных основа­ ний в слабых водонасыщенных глинистых грунтах было

126

отмечено много случаев, когда сооружения на свайных фундаментах, даже полностью прорезающих слой сла­ бых глинистых грунтов, испытывали большие осадки. По данным Ю. В. Россихина [49], осадки свай, прорезаю­ щих слабые и опирающихся на более прочные грунты, протекают во времени по двум схемам — медленно раз­ вивающиеся осадки H быстро протекающие осадки (про­ садки). Медленно развивающиеся осадки в основном обусловлены процессами консолидации слабых водона­ сыщенных глинистых грунтов и медленно возрастающей нагрузкой (пригрузкой), действующей вдоль боковой по­ верхности свай. Присадки, в основном, обусловлены по­ терей прочности (устойчивости) грунтов основания свай. Поэтому при расчете жестких свай необходимо опреде­ лить их предельную несущую способность исходя из по­ тери устойчивости грунта в основании свай. Наиболее точно величина предельной нагрузки на сваю определя­ ется по формуле В. Г. Березанцева.

При расчете свай, проходящих через толщу слабых грунтов, необходимо учитывать вероятность развития «отрицательного трения». К сожалению, проведено очень мало экспериментов по определению фактических зна­ чений отрицательного трения для различных грунтов при различной их плотности и консистенции. В настоящее время в расчетах условно принимают такие же значе­ ния коэффициентов отрицательного трения, как и по бо­ ковой поверхности сваи. Несущая способность сваи оп­ ределяется как разность между сопротивлением острия сваи и отрицательным трением, возникающим по ее бо­ ковой поверхности.

При устройстве оснований на слабых водонасыщен­ ных глинистых грунтах (особенно в тех случаях, когда грунтовая вода агрессивна) для экономии цемента и ме­ талла, а также снижения стоимости основания широко

применяются	песчаные сваи. Между песчаными сваями
в основании	сооружений возникают зоны уплотненного

грунта, модуль деформации которого на всей глу­ бине забивки свай больше модуля деформации грунтов природной структуры в 2,5—5 раз. Преимущество пес­ чаных свай заключается также и в том, что сжатие уплотняемого грунта оканчивается практически одно­ временно с окончанием устройства песчаных свай, что исключает перерывы между устройством основания и укладкой фундаментов. Песчаные сваи можно располо-

127

жить таким образом, чтобы основание		до заданной глу­
бины имело определенный модуль	общей деформации
и определенные прочностные характеристики			грунта.
При строительстве сооружений	на	грунтах	с боль­

шим коэффициентом пористости, на водонасыщенных лёссовых грунтах, на макропористых илах (морские илы Мурманска) и т. и. в основании фундаментов соору­ жений часто устраивают известковые сваи. Их эффект заключается, во-первых, в том, что в результате взаимо­ действия негашеной комовой извести с поровой водой водонасыщенных глинистых грунтов поровая вода от­ жимается в известковую сваю и степень водонасыщения грунтов резко уменьшается и, во-вторых, в уплотнении грунта между известковыми сваями. Поэтому после уст­ ройства известковых свай грунты часто уплотняют тяжелыми трамбовками, что возможно только в том слу­ чае, когда степень водонасыщения грунтов не превыша­ ет 0,7. Известковые сваи изготовляют из местных ма­ териалов, и, как правило, стоимость искусственных осно­ ваний невысока.

При возведении сооружений на больших площадях, в основании которых залегают толщи слабых водона­ сыщенных глинистых грунтов, обычно прибегают к ме­ тодам вертикального дренажа. Методы вертикального дренажа основаны на том, что уплотнение слабых во­ донасыщенных глинистых грунтов, в основном, опреде­ ляется процессами отжатия поровой воды — процесса­ ми фильтрационной консолидации. Время уплотнения грунтов зависит от пути фильтрации отжимаемой поро­ вой воды из уплотняемого слоя до дренажной поверх­ ности. Устраивая отдельные вертикальные песчаные или картонные дрены или применяя дренажные прорези, можно значительно сократить пути фильтрации отжи­ маемой воды до дренажной поверхности (особенно при отжатии поровой воды из глубоких слоев водонасыщенного грунта). Чтобы создать поровое давление, под дей­ ствием которого вода будет перемещаться до дренаж­ ной поверхности, после устройства вертикальных дрен основание покрывают песчаной подушкой (дренаж), сверху которой возводят пригрузочную насыпь или со­ оружение. Методы расчета вертикальных дрен приведе­ ны в главе IV.

Большие сложности связаны с устройством котлова­ нов в толщах слабых водонасыщенных глинистых грун-

128

тов. В последнее время при вскрытии котлованов используют способы электрозакрепления и электроосуше­ ния грунтов. Применение этих способов позволяет от­ рывать котлованы с небольшими откосами без исполь­ зования шпунта в глинистых грунтах с очень низкими

прочностными характеристиками. Так,	по	данным
Г. И. Чохонелидзе и Л. Г. Мельниковой	[49],	этими

способами удается закрепить колхидские илы, угол

внутреннего	трения которых	равен 6°,	а сцепление —
0,05 кгс/см2.	По данным Б. С.	Федорова	[47], методами

электроосушения можно резко увеличить прочностные характеристики аллювиальных слабых водонасыщенных глинистых грунтов. Б. С. Федоров предлагает электро­ осушение проводить совместно с работой эжекторных иглофильтров.

Слабые водонасыщенные глинистые грунты обычно обладают малой проницаемостью, поэтому их невозмож­ но упрочнить химическими способами (практически не­ возможно внедрить химические закрепляющие раство­ ры в поры грунта). Однако эти методы могут успешно применяться для грунтов, имеющих макропоры или вы­ сокую пористость (например, для укрепления многих водонасыщенных лёссовых грунтов, макропористых илов, покровных суглинков, коэффициент фильтрации кото­

рых больше Ю - 5 см/сек).		В данной работе методы хи­
мического	закрепления	грунтов	не рассматривают­
ся, и мы	отсылаем читателя к		специальной литера­
туре.

Все указанные выше методы строительства на сла­ бых водонасыщенных глинистых грунтах решали про­ блему упрочнения и уплотнения оснований сооружений. Однако в настоящее время проектирование оснований и фундаментов исходит из совместной работы сооруже­ ния и основания. Поэтому в тех случаях, когда слабые водонасыщенные глинистые грунты нельзя уплотнить или упрочнить, строительство сооружений ведется по пути увеличения жесткости и прочности надземной час­ ти сооружения. Обычно такие мероприятия в практике проектирования получили наименование конструктив­ ных. В ряде случаев применение конструктивных меро­ приятий оказывается более дешевым и менее трудоем­ ким процессом, чем упрочнение слабых водонасыщен­ ных глинистых грунтов до необходимой прочности и сжимаемости.

9—1

129

Конструктивные мероприятия применяются также для быстрого восстановления эксплуатационной пригод­ ности сооружений в аварийных случаях.

Суть	конструктивных мероприятий	заключается
в том,	чтобы используемые конструкции	сооружений

обеспечивали нормальную эксплуатацию здании и со­ оружений даже при осадках, значительно превышающих

обычно допускаемые для данного типа		сооружений.
Наиболее часто для	повышения	пространственной
жесткости сооружений	в основании	промышленных

и гражданских зданий устраивают монолитные ленточ­ ные железобетонные фундаменты, фундаменты из пере­ крестных железобетонных лент или сплошные железо­ бетонные плиты. На грунтах, где ожидается большая осадка, вместо панельных зданий, которые допускают малые осадки при нормальной эксплуатации, обычно возводят кирпичные здания. Кроме того, армируют кир­ пичную кладку (особенно в простенках между проема­ ми), увеличивают площади опирания перемычек на сте­ ны и простенки, устраивают железобетонные пояса. По­ следние целесообразно устраивать на уровне перекры­ тия над подвалом (т. е. в нижней части здания) и на уровне предпоследнего перекрытия. Непрерывные желе­ зобетонные пояса во всех капитальных стенах на уров­ не междуэтажных перекрытий создают жесткие диа­ фрагмы, которые значительно повышают пространствен­ ную жесткость сооружений.

Промышленные и многоэтажные жилые здания на сильносжимаемых грунтах проектируют по таким кон­ структивным схемам, чтобы эти сооружения были ма­ лочувствительны к неравномерным осадкам. Если пред­ полагается, что здание, имеющее большую протяжен­ ность, будет испытывать неравномерные осадки и в сооружении могут возникнуть трещины, здание заранее расчленяют в местах возможного образования трещин осадочными швами через 24—48 м.

При строительстве промышленных сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах обычно увеличивают габариты над мостовыми кранами на ве­ личину ожидаемых осадок после окончания строитель­ ства. Кроме того, предусматривают специальные уст­ ройства и приспособления для быстрого восстановления подкрановых путей различных технологических устано­ вок и автоматических линий при их осадке.

130

При строительстве жилых зданий на водонасыщен­ ных глинистых грунтах фундаменты или стены подва­ лов часто отделяют гидроизолирующими рулонными материалами от надземных частей сооружений. Исходя из совместной работы всего здания (т. е. надземной и подземной его частей) вместо рулонных гидроизоли­ рующих материалов для устранения капиллярного пе­ ремещения воды в стенах лучше применять жирные растворы цемента, цемента с церезитом и т. п.

Как было показано в главе I , сжимаемость и проч­ ность слабых водонасыщенных глинистых грунтов су­ щественно зависят от скорости их нагружения. Если грунты основания нагружаются медленно, то модуль их общей деформации и характеристики прочности приоб­ ретают более высокие значения, чем при быстром нагружении грунтов. Поэтому технологические схемы и сроки строительства сооружений на слабых водонасы­ щенных глинистых грунтах должны отличаться от обыч­ ных технологических схем и сроков строительства.

При возведении на слабых водонасыщенных глини­ стых грунтах зданий, осадка которых будет протекать в течение длительного времени, следует применять та­ кие конструкции полов и отделочных материалов, кото­ рые могут воспринять неравномерные осадки (напри­ мер, пластиковые полы, наклонные кровли и т. п.). Сле­ дует запретить устройство паркетных полов, гипсолито­ вых перегородок и других конструкций, легко разруша­ емых при неравномерных осадках.

После устройства стен подвала необходимо по пери­ метру жилого здания (а для промышленных сооруже­ ний — после изготовления фундаментов) установить гео­ дезические марки и реперы и систематически следить за осадками фундаментов в процессе строительства. В том случае если фундаменты здания продолжают интенсив­ но садиться, не следует монтировать подкрановые пу­ ти и металлические фермы перекрытий до тех пор, пока «оставшаяся» величина осадки станет меньшей, чем до­ пускается для нормальной эксплуатации.

Земляные дамбы, насыпи и плотины на слабых во­ донасыщенных глинистых грунтах следует возводить послойно, причем слоями такой высоты, чтобы грун­ товое основание с данными прочностными характери­ стиками не потеряло устойчивости. Для обоснованного суждения о возможности дальнейшего нагружения ос-

9*

131