Влияние длительного перерыва в строительстве с учетом промерзания (пучинистости) грунтов на фундаменты
Пучинистость грунта объясняется увеличением его объема вследствие замерзания воды в грунтах под действием отрицательных температур. Соотношение между свободной и связанной водой в грунтах различно и определяется степенью дисперсности (фракционности) твердых частиц, а также ее гидрофильностью, то есть способностью минералов адсорбировать воду. В пылевато-глинистых грунтах адсорбированной, связанной воды гораздо больше по сравнению с грунтами, состоящими из крупных частиц (крупнее 0,1 мм). К таким грубодисперсным грунтам относят пески крупные и средние, гравий, обломочные образования, где содержание воды незначительно, поэтому такие грунты являются непучинистыми.
По Невзорову А.Л., существует три уровня оценки пучинистости грунтов:
− 1 уровень − оценка по гранулометрическому составу, дающая качественное определение: грунт пучинистый или непучинистый;
− 2 уровень − оценка по нескольким показателям: гранулометрическому составу, показателям пластичности (WP, WL), высоте капиллярного подъема (Нкап) и т.п. Оценка вычисляется по эмпирическим зависимостям;
− 3 уровень − оценка по лабораторным или полевым исследованиям. По 3-му уровню оценка самая точная.
Согласно ГОСТ 25100-95 грунты по степени и пучинистости подразделяются на несколько типов (см. табл. 5.12).
Принадлежность к той или иной группе устанавливают по значению относительной деформации морозного пучения εfn = f (Rf), определяемой по формуле (5.13).
(5.13)
| где | hf | − | морозное пучение; |
| df | − | глубина промерзания. |
Для недостроенных зданий и сооружений, брошенных и выведенных из строительного процесса, серьезную угрозу для их устойчивости представляет морозоопасность. Это свойство (способность) пучинистых грунтов при контакте с фундаментами и другими подземными конструкциями оказывать на них силовое воздействие, а при оттаивании под нагрузкой проявлять дополнительные неравномерные деформации (осадки) и снижение своей прочности. В малонагруженных зданиях происходит накопление неравномерных деформаций морозного пучения (∆hf), что вызывает повреждения зданий и сооружений вплоть до аварийного состояния – полной потери устойчивости.
Прочность оттаявшего грунта зависит от степени (величины) давления, времени загружения и относительной глубины оттаивания. Поэтому при исследовании прочности грунта при «промерзании-оттаивании» следует учитывать следующие условия:
− фундамент нагружен до начала промерзания;
− фундамент нагружен после промерзания основания;
− фундамент не загружен до начала промерзания;
− величину оттаявшего слоя, приложенное давление и площадь загружения.
Таблица 5.12
Классификация глинистых грунтов по степени
пучинистости (εfn) [32]
| Наименование грунтов и пределы нормативных значений числа пластичности | Значение параметров Rf × 102 для грунтов | |||||
| Непучинистый εfn ≤ 0,01 | Слабопучинистый 0,01<εfn ≤ 0,035 | Среднепучинистый 0,035<εfn ≤ 0,07 | Сильнопучинистый 0,07<εfn ≤ 0,12 | Чрезмернопучинистый εfn > 0,12 | ||
| Супесь 1 < Jp ≤ 7 | < 0,14 | 0,14-0,49 | 0,49–0,93 | 0,98–1,69 | > 1,69 | |
| Супесь пылеватая 1 < Jp ≤ 7 | < 0,09 | 0,09–0,3 | 0,3–0,6 | 0,60–1,03 | > 1,03 | |
| Суглинок 7 < Jp ≤ 17 | < 0,1 | 0,10–0,35 | 0,35–0,71 | 0,71–1,22 | > 1,22 | |
| Суглинок пылеватый 2 < Jp ≤ 12 | < 0,08 | 0,08–0,27 | 0,27-0,54 | 0,54–0,93 | > 0,93 | |
| Суглинок пылевой 12 < Jp ≤ 17 | < 0,07 | 0,07–0,23 | 0,23–0,46 | 0,46–0,79 | > 0,79 | |
| Глины Jp > 17 | < 0,12 | 0,12–0,43 | 0,43–0,86 | 0,86–1,47 | > 1,47 |
Во всех случаях прочность грунта под подошвой фундамента при оттаивании будет различная. Если с увеличением глубины оттаивания грунта происходит повышение его прочности за счет фильтрационной консолидации, то при действующем давлении от фундамента (1,5 – 2 МПа) может произойти выдавливание оттаявшего грунта в краевых зонах фундамента.
Прочность оттаявшего грунта, загруженного еще до промерзания, выше, чем у оттаявшего грунта, промерзающего перед этим без нагрузки.
Устойчивость оттаявшего основания будет обеспечена, если ограничить давление по подошве фундамента величиной Рm, при котором значение осадки основания при весеннем оттаивании – Sf не превышало бы величину морозного пучения грунта при промерзании hf, то есть Sf ≤ hf.
Этот принцип использован в СНиП 2.02.01-83* (формула (7)) для получения расчетного сопротивления Rf.
Снизить действие морозоопасности можно путем отвода и понижения уровня подземных вод, консервации объектов. Особенно эти меры необходимы для зданий с подвалами. На рис. 5.9 (В.Г.Симагин, П.А.Коновалов) [33] показан характер промерзания грунта в здании с подвальной частью.
В подвальной части здания нарушается тепловой обмен между грунтом и атмосферой. Уменьшается влияние солнечной радиации, а с наступлением зимы отрицательный градиент температур изменяет полностью тепловой режим. Здание начинает промерзать изнутри подвала до подошвы фундаментов и даже глубже.
Боковые стены подвала являются фронтом отрицательных температур, вследствие чего грунт промерзает на глубину подвала (см. рис. 5.9) и морозное пучение деформирует подвальные конструкции и фундаменты.
Рис. 5.9. Характер промерзания грунта и деформация конструкций в здании с подвалом
Силовое воздействие морозного пучения может быть представлено следующими усилиями:
| - | τfh | − | касательные силы морозного пучения, действующие по боковым поверхностям конструкций и фундаментов (см. табл. 5.13); |
| - | Рf | − | нормальные силы морозного пучения, действующие под подошвой фундамента; |
| - | Рfбок | − | силы бокового трения, препятствующие подъему сваи (анкерные силы) (см. табл. 5.14); |
| - | Qа | − | силы реактивного давления (анкерные силы), действующие при определенных условиях на консольные части фундаментов. |
Таблица 5.13
Величина касательных сил морозного выпучивания
(τfh, кН), действующих на 1 м длины сваи в пучинистых грунтах
| Сечение сваи, м | Грунты по степени пучинистости | ||
| Слабопучинистые τf = 60 кПа (0,6 кг/см2) | Среднепучинистые τf = 80 кПа (0,8 кг/см2) | Сильнопучинистые τf = 100 кПа (1 кг/см2) | |
| 0,20 × 0,20 | 52,2 | 70,4 | 88,0 |
| 0,25 × 0,25 | 66,0 | 88,0 | 110,0 |
| 0,30 × 0,30 | 79,2 | 105,6 | 132,0 |
| 0,35 × 0,35 | 92,4 | 123,2 | 154,0 |
| 0,40 × 0,40 | 105,6 | 140,8 | 176,0 |
В зависимости от сочетания действующих сил подземные конструкции, находящиеся в зоне промерзания пучинистых грунтов, могут получать различные деформации (перемещаться по вертикали, получать изгибы и даже разрываться). На примере, приведенном на рис. 5.9, колонна в результате действия касательных сил, переместилась вверх и, приподняв перекрытие, оторвалась от грунта, при этом в результате одностороннего действия касательных сил произошло наклонное перемещение.
Касательные силы пучения, в результате смерзания боковой поверхности фундаментов с грунтом, характеризуются весьма значительными величинами 0,06 – 0,1 МПа и зависят также от шероховатости боковой поверхности.
Нормальные силы пучения под подошвой фундаментов в ряде случаев могут быть весьма значительными и составлять 1 и более МПа (Н.Н. Морарескул, НИИ оснований).
В зависимости от степени пучинистости и размеров площади фундамента М.Ф. Киселев рекомендует принимать величину удельных сил морозного пучения равной 0,001 – 0,006 МПа на 1 см промороженного слоя грунта.
Нормальные удельные силы морозного пучения к боковой поверхности фундамента Рfбок возникают в промерзающем и мерзлом пучинистом грунте в результате давления при замерзании воды. Особенно эти силы опасны при одностороннем действии (случай зданий с подвалом). Величина усилий прямо пропорциональна снижению температуры в грунте – ближе к поверхности больше, а с глубиной уменьшается.
Таблица 5.14
Величина сил бокового трения (Рfбок, кН) свай различного сечения
| Сечение сваи, м | При показателе текучести грунта, JL | ||||||||
| 0,5 | 0,7 | ||||||||
| При глубине заанкеривания сваи в грунте, м | |||||||||
| 0,20×0,20 | 27,2 | 70,4 | 11,2 | 28,8 | 48,0 | 64,0 | 80,0 | ||
| 0,25×0,25 | 34,0 | 88,0 | 14,0 | 36,0 | 60,0 | 80,0 | 100,0 | ||
| 0,30×0,30 | 40,8 | 105,6 | - | - | 72,0 | 96,0 | 120,0 | ||
| 0,35×0,35 | 47,6 | 123,2 | - | - | 84,0 | 12,0 | 140,0 | ||
| 0,40×0,40 | 54,4 | 140,8 | - | - | 96,0 | 128,0 | 160,0 | ||
Реактивное (анкерное) давление находится на контакте «мерзлый - талый» грунт и привносит дополнительную нагрузку на консоли (плитную часть) фундамента. Величина такой силы примерно равна собственному весу грунта и силе пучения.
Следует обратить внимание на качество уплотнения выполняемой обратной засыпки пазух фундаментов, так как в этом случае грунт под консолью работает на сжатие и рыхлая обратная засыпка может спровоцировать потерю устойчивости фундамента.
Необходимо также обеспечить прочность конструкции фундамента, т.к. при влиянии реактивного давления фундамент работает на растяжение (разрыв).
Для свайных фундаментов консервируемых зданий морозное пучение грунтов также опасно. Выпучивание свай также может произойти под действием касательных сил морозного пучения. В строительной практике ошибочно считается, что здания на свайных фундаментах, строительство которых остановлено, весьма устойчивы против сил морозного пучения и ничего им не грозит.
Величина выталкивания свай из грунта будет зависеть от глубины промерзания, степени пучинистости грунта, размеров погруженных свай и других влияющих факторов.
В.Г. Симагин и П.А. Коновалов [33, 34] приводят данные многолетних исследований возникающих касательных сил морозного выпучивания свай в пучинистых грунтах (см. табл. 5.15).
Под действием касательных сил пучения, в зависимости от сечения сваи, глубины промерзания грунта и его пучинистости, сваи могут выталкиваться из грунта и даже разрываться (см. рис. 5.10).
Таблица 5.15
Величина растягивающих усилий (РR, кН), действующих на сваю в зависимости от пучинистости и глубины промерзания грунтов
| Сечение сваи, мм (h=b) | Степень пучинистости грунтов | |||||||||||
| Слабо-пучинистые | Средне-пучинистые | Сильно-пучинистые | ||||||||||
| Глубина промерзания, м | ||||||||||||
| 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | |
| 0,20 | 25,6 | 51,7 | 77,6 | 103,4 | 34,4 | 69,7 | 104,6 | 139,4 | 43,5 | 86,9 | 130,4 | 173,8 |
| 0,25 | 32,2 | 64,3 | 96,4 | 128,6 | 43,1 | 86,3 | 129,4 | 172,6 | 54,1 | 103,3 | 162,4 | 216,6 |
| 0,30 | 38,4 | 76,7 | 115,1 | 153,5 | 51,6 | 103,1 | 154,7 | 206,3 | 64,8 | 129,5 | 194,3 | 269,1 |
| 0,35 | 44.5 | 89,0 | 133,5 | 178,1 | 59,9 | 119,8 | 179,7 | 239,7 | 75,3 | 150,6 | 225,9 | 301,9 |
| 0,40 | 50,6 | 101,2 | 151,8 | 202,4 | 68,2 | 136,4 | 204,6 | 273,8 | 85,8 | 171,6 | 257,4 | 343,2 |
В табл. 5.16 приводятся данные о предельных величинах растягивающих усилий свай (по Э.В. Костерину), по которым можно судить о возможности разрыва свай.
Таблица 5.16
Допустимые величины растягивающих усилий по прочности свай сечением 30 × 30 см (по Э.В. Костерину)
| Марки свай | С 6-30 | Сц 8-30 | С8-30 | С10-30 | Сц10-30 | Сн8-30 |
| Допустимое растягивающее усилие, кН | 88,0 | 102,0 | 102,0 | 167,0 | 160,0 | 82,0 |
Анализируя данные приведенных табл. 5.15−5.16, очевидно, что при глубине промерзания грунта 1,5-2,0 м, сваи длиной 6-8 м уже не способны воспринимать разрывающие усилия даже в слабопучинистых грунтах.
Деформации основания приводят к повреждению материала свай, их разрыву и выпучиванию. Более глубокое погружение свай снижает опасность разрыва за счет повышенного армирования.
Рис. 5.10. Влияние касательных сил морозного пучения на выпучивание и разрыв сваи в котловане
Так, например, выпучивание забитого свайного поля наблюдалось при незавершенном строительстве административного здания в г. Екатеринбурге. Некоторые сваи после 3-летнего перерыва потеряли устойчивость и накренились из-за небольшой глубины забивки (2,5-4 м). Выпучивание свай произошло в течение декабря-марта на 80-100 мм.
При возобновлении строительства, в июле месяце, сваи пришлось добивать перед их срезкой и устройством ростверка.
Поведение малонагруженных фундаментов на естественном основании недостроенных зданий, стоявших несколько сезонов или лет, отличается тем, что происходит накопление остаточных деформаций выпучивания. Все точки фундаментных конструкций испытывают деформации подъема-опускания. Однако опускание происходит на гораздо меньшую величину, поэтому фундамент, в конечном счете, постепенно выпирает наверх. Но каждый раз оттаивание под центром здания происходит медленнее, чем по краям, и возникающие растягивающие напряжения в стенах и углах от краевых осадок вызывают появление трещин и раскрывают здание, как цветок, углами наружу. При этом каждая стена испытывает растягивающие напряжения, а углы скручивание.
Консервация недостроенных объектов на пучинистых грунтах должна предусматривать следующие мероприятия в теплое время года:
− обратная засыпка пазух фундаментов непучинистым грунтом с послойным уплотнением;
− меры по избежанию попадания в основания фундаментов поверхностных вод (с кровли, снеготаяния, дождевых, по складкам местности и др.). Это устройство отмосток, временных лотков, водоотводящих канав и т.п.;
− утепление грунтов по расчету, закрытие входов и проемов в подвалах и на 1-м этаже;
− максимальное осушение территории до начала зимнего периода;
− особое внимание необходимо уделять зданиям с малонагруженными фундаментами и с подвалом, где происходит быстрое и тотальное промерзание изнутри через подвалы. Оттаивание весной происходит быстрее снаружи, а со стороны подвала гораздо медленнее. Поэтому фундамент получает одностороннюю осадку, вследствие которой образуются сквозные наклонные, вертикальные и горизонтальные трещины в цокольной части, а фундамент наружной стены отрывается от фундаментов внутренних стен.
Дата добавления: 2016-04-11; просмотров: 3899;