13.1. Определение размеров искусственного основания
Искусственное основание устраивают следующими методами: заменой слабых грунтов более прочными, уплотнением грунтов с поверхности и на глубине, укреплением грунтов химическими растворами, электрохимическими или термическими средствами, синтетическими полимерными смолами, цементацией, битумизацией, глинизацией. Все эти методы осуществляют после того, как определены размеры искусственного основания. Эти размеры вычисляют на основе двух подходов: по допустимой осадке, по допустимому давлению на грунт.
При проектировании искусственного основания по допустимой осадке используют равенство
Sиз = S – Sд, (13.1)
где Sиз – избыточная часть осадки;
S – осадка сооружения на естественном слабом основании;:
Sд – допустимая осадка сооружения.
Высота искусственного основания принимается равной высоте верхней части слабого основания, залегающего непосредственно под фундаментом, осадка которой составляет величину избыточной деформации Sиз. Если искусственное основание может дать некоторую осадку, то эту осадку также необходимо учесть путем заглубления подошвы искусственного основания.
Указанный способ определения высоты искусственного основания удобно осуществить графически. Для этого необходимо построить эпюру осадок.
От вертикальной оси откладывают, начиная от подошвы фундамента, последовательно суммируемые величины осадок вышележащих элементарных слоев. В результате на нижней границе активной зоны будет отложена полная величина осадки S, a на уровне подошвы осадки S = 0. Толщина искусственного основания намечается до такой глубины, ниже которой эпюра S имеет значение Sд.
При проектировании искусственного основания по допустимому давлению на грунт используют неравенство
σб.Нв + σд.Нв ≤ RНв , (13.2)
где σб.Нв – давление на уровне подошвы искусственного основания от его веса;
σд.Нв – дополнительное давление на уровне подошвы искусственного основания от действия сооружения;
RНв – расчетное допустимое давление на слабый грунт на уровне подошвы искусственного основания.
Высоту искусственного основания принимают равной такой величине, чтобы было выдержано условие (13.2). При этом физические и физико-механические свойства искусственного основания задаются проектно с учетом вида грунта и возможных изменений его свойств при устройстве искусственного основания.
13.2. Замена грунтов
Грунты, не обладающие необходимыми прочностными и деформационными показателями, можно заменить песчаным или гравелистым грунтом (подушкой). Площадь подошвы подушки обычно определяют из условия, что угол между вертикалью и линией, соединяющей соответственные края подошвы фундамента и подошвы подушки, ранен 40°...45°. Это обусловлено тем, что в пределах этих значений расширяется к низу напряженная зона грунта под подошвой фундамента.
Если этот угол сделать меньшим, то он сам установится близким к 40°...45°, но в этом случае давление от подушки передается не только на дно котлована из слабого грунта, но и на его стенки (откосы), которые оказываются в зоне большего давления, чем дно котлована. Это приводит к значительной деформации стенок котлована и, как следствие, к неравномерным осадкам фундамента.
Высоту подушки назначают из указанных выше общих для всех видов искусственных оснований условий (13.1) и (13.2).
Откосы котлована назначают предельно крутыми для минимизации объемов земляных работ. Значения предельных углов откоса котлованов для различных грунтов и различной глубины котлованов приводятся в таблицах строительных норм. В оплывающих грунтах, которые не держат откос, устраивают временные или постоянные перемычки в виде шпунтовых стенок.
Подушки насыпают слоями толщиной 0.2 м. Затем смачивают и уплотняют одним из возможных способов. Песок и гравий, применяемые для подушек, должны быть без глиняных, органических и других примесей. Подушка является аккумулятором влаги, поэтому возможно увлажнение грунта ниже подушки или его размокание. При увлажнении грунта возможно его морозное пучение, набухание. При размокании теряется несущая способность грунта. В связи с этими обстоятельствами особое внимание обращают на дренаж подушки. При невозможности осуществления дренажа поднимают поверхность территории устройством насыпи.
Если слой слабых грунтов сравнительно небольшой, то лучше всего удалить его полностью, устроив необходимую подушку на поверхности хороших грунтов. В этом случае высота подушки определяется лишь из условий необходимой глубины заложения фундамента.
13.3. Поверхностное уплотнение
Поверхностное уплотнение глинистых грунтов на глубину до 0,3 м лучше производить путем укатки тяжелыми гладкими или кулачковыми каткими. Песчаные грунты и крупнообломочные с песчаным заполнителем можно уплотнить виброплитами до глубины 0,5 м.
Поверхностный слой грунта укрепляют также при втрамбовывании в него нескольких слоев щебня. Для этого используют легкие трамбовки.
Наиболее часто в настоящее время для уплотнения глинистых, песчаных, лессовых и насыпных грунтов применяют тяжелые трамбовки. Их изготовляют из железобетона, стали, чугуна в виде усеченного конуса с диаметром основания не менее 1 м и массой до 7 т. Трамбовку периодически поднимают краном на высоту 4...6 м и сбрасывают до тех пор, пока при каждом падении осадка поверхности глинистого грунта снизится до 1,0...2 см, песчаного до 0.5...1 см. Для лучшего уплотнения грунт должен иметь определенную влажность. Так, песчаные грунты должны иметь G = 0,7: глинистые − W = =Wp+Wp∙2 %. При большой влажности грунта и при прилипании его к трамбовке подсыпают слой сухого грунта толщиной около 10 см. Глинистые грунты при избыточном увлажнении не поддаются уплотнению трамбовками.
Недостаток способа уплотнения тяжелыми трамбовками − в быстрой изнашиваемости подъемного оборудовании.
13.4. Глубинное уплотнение
Осуществляется специальными мероприятиями, производимыми внутри грунта. Такие мероприятия позволяют уплотнить грунт на большую глубину, чем при поверхностных способах уплотнения.
Одним из способов глубинного уплотнения является уплотнение грунтовыми сваями. В грунт забивают небольшую деревянную сваю, которая уплотняет окружающий грунт. Затем сваю извлекают и скважину заполняют с трамбованием песком (песчаные сваи). Способ пригоден в грунтах, хорошо удерживающих стенки скважин от обрушения.
В грунтах, плохо удерживающих стенку, применяют способ уплотнения вибронабивными сваями. В грунт погружают стальную трубу с раскрывающимися на ее нижнем конце створками. Погружение осуществляют виброустановкой. Подачу песка в трубу осуществляют при подъеме трубы. При этом песок уплотняется и образует песчаные сваи.
Существует также взрывной способ уплотнения грунтов. В грунте бурят или пробивают скважину. В нее опускают взрывчатку в виде цепочки по 50 г аммонита. Количество взрывчатки определяют опытом. Верхний 2-метровый слой не уплотняют, а используют, как буферный. Взрыв уплотняет окружающий грунт. Расширенную скважину заполняют местным грунтом с хорошим уплотнением. Далее работы ведут в соседних местах.
Песчаные грунты уплотняют также способом гидровибрирования. Для этого применяют вибробулаву, погружая се в грунт, увлажненный через специальную трубу до G ≈ 0,7. В результате уплотнения грунта его поверхность опускается, а прочность грунта увеличивается примерно в 2 раза.
13.5. Химическое закрепление
Осуществляется силикатизацией, т.е. нагнетанием в грунт раствора силиката натрия, химическое превращение которого приводит к образованию твердого цементирующего вещества. Нагнетание производят инъектором. Инъектор − это труба с отверстиями в нижней части. Его погружают забивкой последовательными ступенями на глубину 0.5...1,5 м. На каждой ступени производят нагнетание.
Для ускорения твердения используют катализаторы: СаС12 и Н2РО3. При использовании СаС12 способ называют двухрастворным. Нагнетание силиката натрия ведут при погружении инъектора, а при подъеме нагнетают хлористый кальций. Двухрастворный способ применяют для песков с Кф = 2−80 м/сут. При этом достигается прочность R = 1,5...3,0 МПа.
Для мелкозернистых псевдоплывунов и пылеватых песков с Кф = 0,3...2 м/суг применяют однорастворный способ. В этом способе катализатор Н2РО3 смешивают с жидким стеклом сразу. При этом достигают прочности R = 0.3...0,6 МПа.
Глубина закрепления химическим способом может быть более 20 м при радиусе действия за одно погружение 0.5...1 м.
Химическое закрепление производят и путем смешивания грунта с закрепляющим раствором и последующего уплотнения смеси. Применяется для работ небольшого объема (заделка ям, колодцев, выходов ключей).
13.6. Электрохимическое укрепление
Грунты, обладающие малой водопроницаемостью, т.е. глинистые (Кф < 0,01 м/сут.), закрепляют электрохимическим способом, который основан на явлениях электроосмоса и электрофореза. При погружении электродов источника постоянного тока в грунт начинается перемещение отрицательно заряженных глинистых частиц к аноду. Для сохранения равновесия в распределении вещества в объеме грунта молекулы воды вынуждены двигаться к катоду. Чем меньше водопроницаемость грунта, тем эффективнее метод: чем менее эффективна обычная откачки, тем более эффективен метод электроосушения.
В электроосушении совмещают катоды с иглофильтрами, т.е. с откачкой воды. Иногда по трубам − анодам подают силикат натрия для увеличения эффективности закрепления. Размещают электроды вокруг проектируемого котлована.
Действие электроосушения проявляется уже через двое суток. При этом коэффициент фильтрации суглинков может увеличиться в 10 и более раз, а глин еще больше. Физико-механические свойства грунтов изменяются настолько, что можно нормально проводить земляные работы, в то время как до электроосушения сильно влажный глинистый грунт разжижается и легко просачивается даже через шпунт.
Осушение 1 м3 грунта требует около 40 кВт∙ч энергии. Расстояние между электродами устанавливают по формулам, учитывающим электрические свойства грунта.
Прочность грунта при электрохимическом укреплении увеличивается более чем в 2 раза.
13.7. Термическое укрепление
Этот способ применяют в основном для лессовых грунтов. Он основан на том, что в результате обжига грунта в нем происходят изменения, сопровождающиеся увеличением прочности (R = 1...1,2 МПа), появлением водостойкости, утрачиванием набухаемости или просадочности, повышением водопроницаемости.
Этот способ осуществляют двумя методами. При одном из них в скважины нагнетают уже нагретый до 600...800 °С воздух. Во втором, более эффективном, сжигают топливо в самой герметичной скважине.
Обжиг грунта происходит при циркуляции газа в окружающем скважину грунте радиусом около 1 м. Скважины делают примерно 15 м глубиной. Время обжига 5...10 дней.
13.8. Закрепление смолами
Данный способ применяют для мелких песков и лессовых грунтов. Закрепление грунта осуществляется карбамидной смолой − полимером, представляющим собой жидкость плотностью около 1,2 г/см3. Смолу разводят с водой в отношении 1:1. Вязкость такого раствора весьма мала, что позволяет нагнетать, его через инъекторы давлением 0,1...0,3 МПа в грунты с Кф = 0,5...1,0 м/гут.
Чтобы смола затвердевала, ее смешивают с коагулянтом − 5-процентным раствором соляной кислоты непосредственно перед инъекцией в соотношении 1 : 20. Отвердение начинается через 2...4 часа. Грунт вокруг погруженного инъектора закрепляется в радиусе до 1.0 м. При щелочности грунта его сначала промывают 3-процентной соляной кислотой. Прочность, достигаемая при этом способе, равна 2...3 МПа.
Достоинство способа − хорошая проницаемость при малых Кф (лучше, чем при двухрастворной силикатизации); недостаток − сравнительно с двухрастворным способом силикатизации данный способ дороже.
13.9. Цементация, битумизация, глинизация грунтов
Цементацию используют для песчаных и гравелистых грунтов. В мелкозернистых грунтах трудно осуществима. Неприменима в пылеватых, глинистых и илистых грунтах. При агрессивных грунтовых водах используют специальные стойкие цементы.
Цементацию производят путем нагнетания в грунт суспензии "вода − цемент" в отношении 1:10 через трубы-инъекторы. Давление 0,005...2,0 МПа создается грязевыми насосами (поршневыми, диафрагменными). Перед цементацией грунт промывают водой под давлением. Затем начинают цементацию с верхних зон. Бурят глубже и опять цементируют, увеличивая давление. Радиус закрепления грунтов вокруг скважины 0,5..1,5 м.
При битумизации преследуют основную цель − изменение фильтрующей способности грунта. Применяется в скальных и полускальных грунтах. Представляет собой нагнетание через скважины горячего нефтяного битума температурой около 200 °С, который дополнительно подогревается электрическим током в самой скважине и затем твердеет в грунте.
Горячий битум достаточно жидок и проникает в трещины размером более 1 мм. Поры мельче 1 мм остаются незаполненными, но для фильтрации воды через основание гидротехнических сооружений они не имеют большого значения.
Достоинство способа − быстрое сгущение, что при больших трещинах и больших скоростях грунтовой воды является положительным фактором, так как не позволяет воде относить битум от скважины. Стойкость к агрессивной грунтовой воде − второе достоинство.
Глинизацию используют при больших пустотах в скальных и полускальных грунтах и наличии агрессивной грунтовой воды. Основная цель − изменение фильтрационной способности грунта.
В скважины давлением 2,0 МПа и более нагнетают глинистый раствор плотностью 1,2 г/см3. Глинистые частицы кольматируют пустоты в грунте. Вода при этом из раствора отводится за счет большого избыточного давления в скважине.
Глава 14. СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ
14.1. Общие положения
Свая − это вытянутый конструктивный элемент, находящийся в грунте в вертикальном или наклонном положении и передающий в окружающий грунт нагрузку. Свайный фундамент − это группа свай вместе с опирающейся на них плитой или балкой. Последние элементы называют ростверками. Свайные фундаменты в зависимости от расположения ростверка бывают с низким и высоким ростверком.
Весь свайный фундамент может включать только одну сваю, например, под колонной. Такой фундамент устраивают при небольших нагрузках. Под стены, а иногда под колонны устраивают ленточный фундамент. Здесь сваи могут располагаться в один или несколько рядов. Если группа свай располагается под сооружением, занимающим небольшую площадь, то такой фундамент называют "свайный куст". Свайный фундамент называют свайным полем, если площадь, занимаемая фундаментом, захватывает все сооружение. К свайному полю относят и систему одиночных свай, свайных кустов и ленточных фундаментов под данным сооружением (рис. 28).
Рис. 28. Типы свайных фундаментов и свай: а − фундаменты с низким
ростверком; б − фундамент с высоким ростверком; в − ленточные
фундаменты; г − свайный куст; д − свайное поле; е − набивные сваи;
ж − железобетонные сваи; 1 − ростверк; 2 − свая.
14.2. Типы и конструкции свай
Сваи могут изготовляться на заводах строительных материалов. Такие сваи погружают в грунт забивкой специальными молотами, вибропогружателями, вдавливанием, завинчиванием.
При устройстве свай непосредственно в грунте их называют набивными (см. рис. 28). Если грунт достаточно плотен, то скважину под сваю можно пробурить без крепления стенок. В слабых грунтах используют обсадную трубу, которую извлекают по мере заполнения скважины материалом сваи или оставляют в грунте. Материал сваи − бетон, а при необходимости и арматура, − образует после уплотнения и отвердевания бетона жесткий элемент.
В зависимости от материала сваи могут быть деревянными, железобетонными, бетонными, металлическими, комбинированными. В настоящее время деревянные сваи применяют редко. Металлические сваи в основном используют при ограждении стенок котлованов от обрушения. Чаще всего применяют железобетонные сваи. Эти сваи имеют сплошное квадратное, квадратное с круглой полостью и полое круглое сечение. Квадратные сваи имеют размеры: 0,2 х 0,2 м и более до 0,4 х 0,4 м. Длина их 3...20 м. Для увеличения длины эти сваи делают сборными, стыкуя отдельные звенья болтовыми или сварными соединениями. Круглые пустотелые сваи имеют наружный размер 0,4...0,8 м, длину 4...12 м. Сваи данной конструкции при диаметре 1...3 м называют сваями-оболочками. Их длина 6...12 м, толщина стенок 12 см.
Рис. 29. Конструкции свай: а − ромбовидные; б − пирамидальные;
в − булавовидные; г − крестообразного, таврового, треугольного и
трехлопастного сечений; д − безростверковый фундамент; е − сваи-
колонны; ж − забивные пирамидальные блоки; з − свая-стойка; и −
висячая свая; 1 − поддерживаемая конструкция; 2 − железобетонный
оголовок; 3 − свая; 4 − свая-колонна; 5 − колонна.
Применяются сваи повышенной несущей способности: ромбовидные, пирамидальные, булавовидные (рис. 29), с крестовым, прямоугольным, двутавровым и треугольным поперечными сечениями. В каркасных зданиях часто применяют сваи-колонны. Эти сваи имеют квадратное сечение, а часть их длины выступает над поверхностью земли, образуя колонну. Сваи-колонны существенно снижают трудоемкость строительных работ. Все чаще в строительстве применяют забивные блоки пирамидальной формы, которые являются наиболее предпочтительными в условиях слабых грунтов. Глубина погружения блоков 1,5...2 м. Применяют и другие конструктивные формы свай (см. рис. 29).
По условиям передачи нагрузки на грунт сваи делят на сваи-стойки и висячие сваи (сваи трения). Первые достигают практически несжимаемых грунтов, вторые устраиваются в сжимаемых грунтах. Несущая способность свай-стоек полностью определяется сопротивлением грунта под острием, висячих свай − трением на боковой поверхности и сопротивлением грунта под острием сваи.
14.3. Несущая способность свай
Несущая способность сваи определяется из условий работы материала сваи и грунта, в который она погружена. Сопротивление сваи определяют как наименьшую из величин, вычисляемых из условий прочности материала сваи и грунта.
Несущую способность сваи по материалу определяют методами расчета железобетонных элементов при внецентренном приложении внешней нагрузки со случайными эксцентриситетами.
Несущую способность сваи по грунту определяют по формуле
N < Fd /γк, (14.1)
где N − расчетная нагрузка, передаваемая на сваю;
Fd − расчетная несущая способность сваи;
γк − коэффициент надежности (если несущая способность определена расчетом или по результатам динамических испытаний, выполненных без учета упругих деформаций грунта γк = 1,4, если несущая способность определена по результатам статистического зондирования, γк = 1,2).
Несущая способность по грунту свай-стоек вычисляется по формуле
Fd = γc RA, (14.2)
где γс − коэффициент условий работы, γс = 1;
А − площадь опирания сваи о грунт;
R − расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, принимаемое равным R = 20 МПа для забивных свай, опирающихся на скальные грунты, крупнообломочные и пылевато-глинистые грунты твердой консистенции; для набивных свай и свай-оболочек, наполненных бетоном и заделываемых в невыветрелый грунт.
R = (Rcн/γg)/(ld /dc +1,5), (14.3)
где Rcн – нормативное сопротивление скального грунта сжатию;
γg = 1,4 – коэффициент надежности по грунту;
ld – расчетная глубина заделки сваи в грунт;
dс – наружный диаметр сваи.
Несущая способность по грунту висячих свай определяется рядом методов: практическим, динамическим, статическим.
В практическом методе используют формулу
, (14.4)
где γс – коэффициент условий работы сваи в грунте, равный γс = 1;
γсR и γcf – соответственно коэффициенты условий работы грунта под острием сваи и по ее боковой поверхности;
R – расчетное сопротивление грунта под острием сваи;
U – периметр сваи;
∫i – расчетное сопротивление по боковой поверхности грунта i-гo слоя, прорезываемого сваей;
hi – высота i -ro слоя грунта.
Характеристики, входящие в формулу (14.4), определяются по табличным данным строительных норм в зависимости от условий погружения и грунтовых условий [12].
Динамический метод определения несущей способности висячей сваи основан на замерах расчетного отказа сваи (осадки в результате одного удара молота), определяемого по результатам полевых испытаний свай после "отдыха" сваи. За период "отдыха" около сваи происходит перераспределение напряжений в грунте.
Предельное нормативное сопротивление свай при забивке и вибропогружении находят из выражения
, (14.5)
где η – коэффициент, зависящий от материала сваи;
А – площадь поперечного сечения сваи;
М – коэффициент, зависящий от способа погружения сваи (при забивке М = 1, при вибропогружении определяется по табличным данным [12]);
Еd – расчетная энергия удара молота;
Sa – расчетный отказ (осадка от одного удара или работы вибропогружателя в течение одной минуты);
ε – коэффициент восстановления удара;
m1, m2, m3 – соответственно масса молота или вибропогружателя, сваи и наголовника, подбабка.
Статический метод определения несущей способности сваи заключается в том, что сваю постепенно загружают нагрузкой, прикладываемой через гидравлические домкраты или тарировочные платформы. По результатам испытаний строят график зависимости осадки сваи от нагрузки (рис. 30).
Рис. 30. Схема испытаний сваи статической нагрузкой и расчетные
схемы свайных фундаментов: а – схема испытаний и график зависимости
осадки сваи от нагрузки; б – схема к расчету свайных фундаментов при
центральной нагрузке; в – схема для внецентренного действии нагрузок;
1 – домкрат; 2 – упорная балки; 3 – анкерные сваи; 4 – испытываемая свая.
Если на графике имеется резкий перелом, то за предельное нормативное сопротивление сваи принимают нагрузку, соответствующую данной точке, при условии, если осадка не превышает 2 см. При отсутствии точки перелома за предельное сопротивление принимают нагрузку, соответствующую осадке сваи, полученной по формуле
S = ξ Sипl , (14.6)
где ξ = 0,2 – коэффициент перехода к осадке отдельной сваи;
Sипl – предельное значение осадки свайного фундамента проектируемого здания, установленное нормами.
Если осадка, вычисленная по формуле (14.6), будет больше 4 см, то за Fип принимают нагрузку, соответствующую осадке 4 см. Несущую способность сваи по результатам динамических испытаний и испытаний статической нагрузкой определяют из выражения
Fd = γc∙Fип/γg, (14.7)
где γc – коэффициент условий работы;
Fип – нормативное значение предельного сопротивления сваи;
γg – коэффициент надежности по грунту (при числе испытаний более 6 устанавливается на основании статистической обработки результатов, в противном случае γg = 1).
<предыдущая страница | следующая страница>