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

нования земляного сооружения (т. е. его дальнейшего возведения) необходимо в основании заложить дат­ чики порового давления и установить поверхностные марки. По изменению порового давления и осадкам поверхностных марок можно точно определить вре­ мя безопасного возведения следующего слоя насыпи.

Несомненно,		что при	размещении	датчиков	порового
давления	и	мессдоз	в основании	крупных	промыш­
ленных	сооружений		(дымовых труб, химических ко­

лонн, водонапорных башен и т. п.) можно возводить со­ оружения с большим давлением под подошвой фунда­ мента, так как при этом будет учитываться фактическое рассеивание порового давления во времени в грунтах основания.

2. ПЕСЧАНЫЕ ПОДУШКИ

Песчаные подушки, как уже говорилось, применяют­ ся для увеличения устойчивости и уменьшения осадок фундаментов, для дренирования отжимаемой поровой воды, а также для замены пучинистых при промерзании слабых водонасыщенных глинистых грунтов непучинистыми. Толщина подушки принимается в зависимости от ее назначения. При замене пучинистых при промер­ зании грунтов песчаную подушку устраивают на всю глубину промерзания грунтов в данном районе. Если же районы имеют большую зону промерзания, то необхо­ димо принять фундаменты такой конструкции, чтобы песчаная подушка работала круглогодично, и вода в ней не замерзала. Поэтому в северных районах над песча­ ной подушкой рекомендуется устраивать теплоизолиру­

ющий экран.	.
При использовании песчаной подушки в качестве го­
ризонтального дренажа ее толщина должна	быть та­

кой, чтобы даже при заилении грунта глинистыми час­ тицами верхняя часть подушки работала как дренаж.

В том случае если песчаную подушку под фунда­ менты устраивают для уменьшения осадки фундамен­

тов, толщину ее определяют из условия,			чтобы осадка
подушки	и	подстилающих водонасыщенных		глинистых
грунтов	(в	пределах сжимаемой толщи)	была меньше
осадки, допустимой для сооружения данного типа.
При	воздействии на фундамент горизонтальной си­
лы или	момента сил необходимо рассчитать			фундамент

132

на устойчивость. Толщина подушки при этом должна быть такой, чтобы поверхность скольжения фундамента при потере устойчивости проходила только в пределах песчаной подушки, так как прочностные характеристики подстилающих слабых грунтов (угол внутреннего тре­ ния и сцепление) меньше, чем у песка.

В связи с тем что в ряде случаев толщина песчаных подушек достигает 7 м, необходимо рассчитывать фун­ дамент на устойчивость и при вертикальной нагрузке.

Рассмотрим последовательность расчета осадки фун­ дамента, расположенного на песчаной подушке. По дан­ ным о гранулометрическом составе песка и исходя из реально возможных методов его уплотнения в теле по­ душки определяют коэффициент пористости песка пос­ ле его уплотнения и устанавливают вероятное (прибли­ женное) значение модуля общей деформации песка дан­ ного гранулометрического состава Е0.

Затем строят эпюру распределения напряжений под центром фундамента на глубину основания, используя при этом решение теории упругости для жесткого штам­ па. Если модуль деформации грунта, подстилающего песчаную подушку, более чем в 5 раз отличается от мо­ дуля общей деформации песка, то при построении эпю­ ры распределения вертикальных напряжений под по­

дошвой	фундамента			следует использовать	решение
К. Е. Егорова		[53]		для двухслойных оснований. Зная
значения модулей			общей деформации песка в теле пес­
чаной	подушки	и	подстилающего слабого		глинистого
грунта,	определяют		осадку фундамента на подушке по

методу послойного суммирования. Если для слабых во­ донасыщенных грунтов обнаружено явление начального градиента напора, целесообразно при расчете осадки использовать предложенную нами методику (см. п. 1 главы I I ) .

Размеры песчаной подушки в плане определяются по решениям Б. И. Далматова [49] и Я. Д. Гильмана [19].

Если подушку возводят без котлована, то обычно ее размеры в плане понизу больше размеров поверху на величину, равную удвоенной толщине песчаной подуш­ ки, умноженной на угол внутреннего трения песка. При­ чем угол этот должен определяться при плотности, рав­ ной плотности песка в теле подушки. При расположе­ нии песчаных подушек в котловане или в траншеях су­ ществует опасность, что они потеряют устойчивость.

133

При этом будет наблюдаться «расползание» песка и выдавливание окружающего подушку слабого грунта. Совершенно очевидно, что горизонтальное перемещение частиц песчаной подушки произойдет под действием го­ ризонтальных напряжений. Б. И. Далматов и Я- Д. Гильман предложили формулу для расчета горизонтальных напряжений из учета плоского скольжения клина при потере устойчивости песчаной подушки. Однако формулы эти следует рассматривать как приближенные, так как поверхность скольжения принята авторами в виде плос­

кости,

что не

совсем

точно

отражает

форму

фактиче­

ских поверхностей скольжения при потере

основанием

устойчивости.

Практика

строительства

знает

ряд

случаев,

когда

фундаменты,

построенные

на

песчаной

подушке,

испы­

тывали

большие

осадки. Как

правило,

это было

вызва­

но

их плохим

изготовлением.

Так, в районе

Мурманска

в

1966

г. произошла

авария

трехэтажного

панельного

здания,

построенного

на

песчаной

подушке

толщиной

2 м, устроенной

на

слое

мягкопластичных

глинистых

грунтов. Анализ аварии показал, что песчаная подушка

была	уложена	с	нарушением		строительных		норм и
правил. Песок укладывался				в зимнее время (во время
снегопадов) слоями			толщиной		по 40 см	без уплотнения.
В результате		даже после		отрытия		шурфов	в	июле
1966	г. песчаная	подушка		напоминала		слоеный		пирог,

где между слоями песка находились прослойки и линзы снега и льда толщиной до 4 см каждая. Причиной ава­ рии послужило оттаивание снега и льда.

Песчаную подушку необходимо устраивать таким образом, чтобы добиться максимальной плотности в ее теле. Сплошные песчаные подушки в основании железо­ бетонной плиты или на дне большого котлована обычно возводят послойно толщиной каждого слоя 15—20 см, уплотняя слои песка гладкими или кулачковыми катка­ ми. Если песчаные подушки возводят для фундаментов отдельно стоящих колонн, то песок в теле подушки уп­ лотняют виброплитами, вибрационными, пневматичес­ кими и дизельными трамбовками, а также другими трамбующими машинами.

Если песчаные подушки более чем на 1,5 ж выше уровня грунтовых вод, то обычно песок в теле подушки уплотняют тяжелыми трамбовками. В этом случае пе­ счаную подушку уплотняют послойно (при толщине

134

каждого слоя		до 2 ж). Уплотнение						грунтов	тяжелыми
трамбовками		(метод		предложен				Ю. М. Абелевым и
В. Б. Швецом)			производится				следующим		образом. К
копру, крану или экскаватору							подвешивают		трамбовку
весом от 2 до 7 г, которую						сбрасывают с высоты 4—7 м
по одному следу			от 8 до		12 раз; при этом для трамбо­
вок весом 2—4 г удается					получить трещину				уплотненно­
го слоя 2 м, а для трамбовок							весом 6—7 т — 3 ж. Для
получения	песка		средней			плотности и плотного в				теле
песчаной	подушки (объемный						вес 1,65—1,75 гсісм3)			для
средне- и крупнозернистых						песков обычно требуется 8—
14 ударов	трамбовки			весом 2—4 т, сбрасываемой						с вы­
соты 4—5 м по одному следу.

Трамбовку изготовляют обычно на месте строитель­ ства из железобетона в форме усеченного конуса диа­ метром понизу 1,4—2,4 ж и с низким расположением центра тяжести.

В последние		годы		песчаные		подушки	толщиной до
7 м устраиваются			методом		намыва. При этом в зависи­
мости от способа		намыва и гранулометрического соста­
ва песка в карьерах в песчаные						подушки	попадают пы-
леватые	и глинистые			частицы.		Обычно	после	намыва
песчаной	подушки на слой				слабых водонасыщенных
глинистых грунтов			песок в теле			песчаной подушки ос­
тается	водонасыщенным.				Для	уплотнения		больших

толщ намытого песка часто применяется глубинное виб­ роуплотнение.

При устройстве песчаных подушек на территориях, покрытых водой, песок в теле подушки (при большой ее толщине) можно уплотнить при помощи взрывов (ме­ тод Флорина—Иванова). В этом случае применяются пневмопульсационные установки, работающие от комп­ рессоров (Трофимова — Яковлева), или используется электроискровой метод (Ломизе). Таким путем можно уплотнять песчаные подушки, отсыпанные из крупно-, среднеили мелкозернистых песков. Пылеватые пески этими методами практически не уплотняются.

Песчаные подушки на дне реки или залива (на глу­ бине более 5 м) отсыпают с барж или шаланд. Песок отсыпается в реку таким образом, чтобы не разрушить

структуры подводных илов.		Первый	слой толщиной
30—40 см обычно	отсыпают из мелкозернистого песка,
а затем песчаную	подушку	отсыпают	слоями по 0,5—

135

1 м. При таком методе отсыпки ил не проникает в тело песчаной подушки. Рассматриваемая технология позво­ ляет создавать песчаные подушки шириной, равной 5— 6-кратной ширине фундаментов. Необходимо отметить, что этот метод применяется при возведении сооружений, которые допускают большие величины осадок (мол, земляные сооружения и т. п.).

Особенно тщательно следует уплотнять песчаные по­ душки под фундаменты машин или оборудования с ди­ намическими нагрузками, подушки, возводимые на сла­ бых грунтах в сейсмических районах и при вероятном воздействии волновой нагрузки. В этих случаях в каче­ стве материала подушки нельзя использовать пески, содержащие даже небольшой процент слюды или ракуши.

Для контроля качества уплотнения (особенно при больших толщах песчаных подушек) используют ста­ тическое или динамическое зондирование. Если песча­ ные подушки толщиной более 2 м устраивают для

•особо ответственных сооружений, то после уплотнения подѵшек проводится испытание грунтов опытными штампами.

3. ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ПЕСЧАНЫЕ ДРЕНЫ

Как было указано выше, время уплотнения водона­ сыщенных глинистых грунтов определяется временем отжатия из них поровой воды. По существующей теории фильтрационной консолидации время уплотнения водо­ насыщенных грунтов прямо пропорционально квадрату расстояния до дренажной поверхности. Устраивая в тол­ ще водонасыщенного глинистого грунта вертикальные дрены на расстоянии друг от друга от 2 до 5 м на глу­ бину до 20 м, можно значительно сократить расстояние, которое необходимо пройти отжимаемой воде из глини­

стого слоя до дрен и, следовательно, уменьшить										время
уплотнения грунтов основания.
	Чтобы отжать воду в вертикальные песчаные дрены
(повысить давление				в поровой		воде), иногда			применяют
пригрузочную			насыпь высотой			10—15	м.
	Над	вертикальными			дренами .всегда				устраивают
песчаную		подушку		толщиной		не менее	0,6—1		м.	Песча­
ная	подушка,		объединяя		вертикальные			песчаные дре­
ны,	собирают		из	них воду		(рис. III.1).		Кроме		того,

136

песчаная подушка служит горизонтальным дренажем (поровая вода из верхних слоев водонасыщенного гли­

нистого	грунта	отжимается		вертикально	вверх	в гори­
зонтальную песчаную подушку).
При расчете		уплотнения		глинистых грунтов		(консо­
лидации)	отдельно		рассчитывают время,		необходимое
для отжатия поровой			воды	в горизонтальном направле-

Рис. ИМ. Схема работы вертикальных песчаных дрен

/ — плотный грунт; 2 — насыпь;	3— песчаная	подушка; 4 — дрены (стрелками
показано направление отжатия	поровой воды	к дренажным поверхностям)

нии (в вертикальные песчаные дрены), и отдельно вре­ мя, необходимое для уплотнения толщи водонасыщен­ ных глинистых грунтов при фильтрации воды только в вертикальном направлении (в горизонтальную песча­ ную подушку). После этого определяют, за какое время

произойдет	определенная	часть	осадки	(см.	далее
пп. 4—7 главы I V ) .
Вертикальные песчаные дрены устраивают следую­
щим образом. Чтобы по площадке могли				перемещаться
механизмы,	необходимые для устройства			дрен, на ней
сначала отсыпают песчаную		подушку толщиной			не ме­
нее 50 см.	Обычно с помощью		башенных копров, ис­
пользуемых	для устройства	набивных бетонных			свай,

копровых стрел, смонтированных на экскаваторе (рис. III.2, а), и другими способами в грунт погружают пусто­ телую цельнотянутую металлическую трубу диаметром 420—600 мм (при толщине стенок трубы 15—24 мм).

137

тие	(иногда		оборудованное воронкой) для				засыпки в не­
го	песка	без	снятия	молота.	На	трубе	устанавливают
вибратор,		вибромолот		или молот		двойного	действия.
	Устройство вертикальных				песчаных дрен состоит из

следующих операций. Металлическую трубу с закрытым наконечником погружают вибратором, вибромолотом или молотом двойного действия на заданную глубину. Затем через боковое отверстие в верхней части трубы в нее отдельными порциями засыпают песок так, чтобы заполнить трубу па высоту 3—4 м. После этого вклю­ чают вибратор или молот и трубу поднимают. Под дей­ ствием вибрации или ударов молота двойного действия кольцо, надетое на самораскрывающийся башмак, спа­ дает с конуса, створки его раскрываются и труба под­ нимается на высоту 2—3 м, В скважине остается столб песка. Затем в обсадную трубу засыпают следующую порцию песка (тоже на высоту 3—4 м) и снова подни­ мают трубу на 3—4 м.

Трубу следует поднимать таким образом, чтобы по­ сле подъема в ней оставался слой песка толщиной не менее 1 м. Чтобы песок хорошо выгружался из трубы (непрерывно, без образования пробок в трубе и разры­ вов в теле песчаной сваи), его предварительно водонасыщают. Для водонасыщения песка, как правило, при­ меняют растворомешалки.

При использовании труб малого диаметра для ускоре­ ния выгрузки песка в них подается сжатый воздух, а от­ верстие, через которое засыпается песок, герметически закрывается.

Вертикальные песчаные дрены можно устраивать бурением скважин, погружением металлической трубы с открытым концом (в этом случае грунт вымывается из трубы) и другими способами. В некоторых случаях скважины бурят под глинистым раствором, в который погружают песок. После этого скважину с песком тща­ тельно промывают, чтобы удалить глинистые частицы.

Схема производства работ при устройстве песчаных вертикальных дрен показана на рис. ІІІ.З.

После устройства дрен для определения фактической осадки насыпи над песчаной подушкой в любое время после начала уплотнения грунтов устанавливают геоде­ зические реперы и другие приборы.

В СССР в последние годы для устройства вертикаль­ ных песчаных дрен была разработана новая технология.

139

о

Рис.	ILI.3. Схема					произ­		I	этап
водства		работ по устрой­
ству	вертикальных пес­
чаных дрен
/ — прочный			грунт;			2 — во­
донасыщенные					глинистые
грунты;		3 — глубинные					мар­
ки;	4 — песчаная				подушка;
5 — реперы			горизонтального
смещения; 6—измерители по­
рового давления;					7 — верти­
кальные		песчаные				дрены;
S — устройство				пригрузочной
насыпи;		9 — снятие				пригру­
зочной насыпи;					10 — устрой­			IP	зтап
ство	дорожного			полотна

Обсадную трубу с инвентарным самораскрывающимся башмаком погружают вибровдавливающим погружателем свай ВВПС-32/19, который обычно монтируется на. тракторе Т-180 и является его навесным оборудованием. Трактор Т-180 не только обепечивает перемещение ус­ тановки по площадке, но и служит одновременно энер­ гетической базой для ВВПС (рис. ПІ.4). На трубу од-

ж—I

	Рис. II 1.5. Двустенная об­
	садная труба для устрой­
Рис. III.4. Установка ВВПС-32/19	ства вертикальных дрен
для изготовления вертикальных дрен	с помощью подмыва

повременно действуют вибрационные силы, которые со­ здаются низкочастотным вибропогружателем направ­ ленного действия с подрессоренной пригрузкой, и силы вдавливания, которые создаются суммарным весом виб­ ропогружателя, трубы и частью веса всего агрегата.

На верхнем конце обсадной трубы имеется шарнир­ ное устройство для крепления к вибропогружателю и чуть ниже металлический бункер для загрузки песка в обсадную трубу.

Загрузка песка в металлический бункер, установлен­ ный на обсадной трубе, производится при помощи буль­ дозера. Е. В. Светинский и В. П. Трескин рекомендуют использовать для этой цели погрузчик-бульдозер Д-442. Рычажно-гидравлическая система этого погрузчика с двухчелюстным ковшом позволяет использовать маши-

141