Основания и фундаменты

1. Основные физические характеристики грунта и способы их определения

Сложность строения природных грунтов и влияние на них физико-геологических процессов вызывают необходимость пи оценке грунтов определять их свойства в условиях естественного залегания, или по образцам естественной ненарушенной структуры.

Основным отличием природных грунтов от скальных пород являются отсутствие спайности и значительная пористость.

Для определения физических свойств грунтов (пористости, водонасыщенности и пр.) необходимо знать три простейших показателя: - объемный вес грунта естественной структуры; - удельный вес твердых частиц грунта; - природную влажность грунта.

Объемный вес грунта . Величина объемного веса грунта обусловливается геологической историей формирования и последующего существования грунта. Ее определяют особенно тщательно по образцам с ненарушенной структурой, взятой из буровых скважин специальным прибором «грунтоносом» с минимальным нарушением структуры, или из шурфов – особенно режущим кольцом: его следует вычислять с достаточной точностью, так как он является важнейшей исходной характеристикой грунтов, без знания которой невозможно определить целый ряд показателей, входящих в уравнение механики грунтов.

Объемным весом грунта называется отношение веса всего грунта (со всеми включениями) к его объему: где - вес твердых частиц; - вес воды в порах грунта (вес воздуха по незначительности не учитываем); - объем твердых частиц; - объем пустот (пор).

Объемный вес скелета грунта

Объемный вес воды - отношение веса воды в некотором объеме к величине этого объема, равный

Удельный вес грунта является показателем, главным образом, минералогического состава данного грунта и определяется пикнометрически. Для большинства грунтов он меняется в незначительных пределах – от 2,5 до 2,8 и в среднем равен для песков 2,65 и для глин – 2,7 тс/м³.

Удельным весом грунта называется отношение веса твердых частиц грунта только к их объему:

Влажность грунта определяется по результатам взвешивания естественной пробы грунта и после его полного высушивания (при 105⁰С).

Влажностью грунта (весовой) называют отношение веса воды к весу высушенного грунта (или к весу твердых частиц):

Коэффициентом пористости и коэффициент водонасыщенности. Коэффициентом пористости грунта называется отношение объема пор грунта к объему его скелета: где - объем пор в единице объема грунта; - объем твердых частиц также в единице объема грунта. Очевидно, что

Объем твердых частиц грунта будет равен отношению веса твердых частиц в единице объема (числено равного ) к их удельному весу , т.е.

Тогда, принимая во внимание, что получим

Что касается объемного веса скелета грунта , то его легко определить, учитывая, что влажность грунта равна отношению веса воды к весу скелета, откуда объемный вес грунта равен

Коэффициентом водонасыщенности грунтов (индексом водонасыщенности) называется отношение природной влажности грунта к его полной влагоемкости соответствующей полному заполнению пор грунта водой:

При полном заполнении пор грунта водой влажность будет равна отношению веса воды в объеме пор к весу твердых частиц Коэффициент пористости полностью водонасыщенного грунта равен произведению влажности на удельный вес.

2. Классификация грунтов, показатели, по которым устанавливается наименование и состояние грунта

Классификационные показатели грунтов применяются для отнесения грунтов к той или иной категории, чтобы предусмотреть в самых общих чертах поведение грунтов при возведении на них сооружений и выбрать нормативные давления на грунтовые основания, а в отдельных случаях и установить возможность применения в расчетах тех или иных теоретических решений механики грунтов.

К классификационным показателям грунтов относят вещественный состав грунтов и характеристики физического состояния. Последние характеристики являются в известной мере условными, позволяющими косвенным путем определить приближенно некоторые расчетные показатели механических свойств грунтов, использовав, например, нормативные данные и другие материалы.

В состав природных грунтов входят разнообразнейшие элементы, которые при рассмотрении можно объединить в следующие три группы: твердые минеральные частицы, вода в различных видах и состояниях, газообразные включения.

Весьма существенным фактором в оценке свойств твердых грунтовых частиц является их минералогический состав.

Все крупнообломочные и песчаные грунты по размерам минеральных частиц по СНиПу разделяют на следующие виды.

1. Крупнообломочные грунты с содержанием частиц крупнее 2 мм более 50% по весу.

2. Песчаные грунты с содержанием частиц: крупнее 2 мм более 25% по весу – гравелистые; крупнее 0,5 мм более 50% по весу – крупнозернистые; крупнее 0,25 мм более 75% по весу – пылеватые. За песчаные частицы принимают все частицы размером более 0,05 мм, а за пылеватые – от 0,05 до 0,005 мм.

3. Глинистые грунты ввиду их большого разнообразия по величине, форме и минералогическому составу не разделяются на группы. Следует лишь указать, что к глинистым частицам грунтов относят все минеральные частицы размером примерно от 0,01 мкм до нескольких микрометров.

Для глинистых грунтов первостепенное значение имеет не только общий зерновой состав и содержание мелких и мельчайших частиц, а главное, диапазон влажности, в котором грунт будет пластичным, и пористость грунтов.

Содержание глинистых частиц в грунте определяется специальными лабораторными анализами.

На основании многочисленных исследований грунтоведов и инженеров-строителей земляных сооружений для строительных целей принята упрощенная гранулометрическая классификация грунтов, по содержанию в них глинистых грунтов по весу (%).

Глина - > 30%, суглинок – 30-10, супеси -10-3, песок - > 3.

3. Виды давлений грунтов на подпорную стенку. За счет чего они возникают.

Подпорная стенка - сооружение, удерживающее грунт откоса насыпей и выемок от обрушения. Подпорные стенки используются для организации пространства на пересеченной местности, а также для повышения эстетических качеств объектов ландшафтной архитектуры. Они могут использоваться для разграничения зон объектов с различной функциональной направленностью. Подпорные стенки на объектах ландшафтной архитектуры по своему назначению делятся на два вида:

• укрепительные;

• декоративные.

Укрепительные стенки предназначены для удержания грунтовых масс от оползания. Они широко широко применяются при террасировании естественных склонов с целью увеличения полезной площади для размещения элементов озеленения и благоустройства. Декоративные стенкииспользуются в качестве архитектурно- художественного элемента.

На плане подпорные стенки обозначаются двойной линией с указанием высотных отметок верха и подошвы стенки в характерных точках по ее длине. Разность между отметками верхней и нижней площадок является высотой подпорной стенки в данной точке.

Существует четыре основных варианта размещения подпорных стенок на склоне.

Рис 1. Размещение подпорных стенок на склоне (а- насыпь, б- полувыемка - полунасыпь, в- выемка, г - декоративная стенка на повном рельефе).

Вариант а - позволяет расширить верхнюю площадку;

вариант б- обеспечивает оптимальный вариант землянных масс, т.е объем насыпного грунта равен объему срезаемого грунта;

вариант в- позволяет увеличить нижнюю площадку4; вариант г - позволяет разнооборазить плоский рельеф;

Устойчивосчть подпорных стенок достигается компенсацией воздействия сил, оказываемых на стенку подпираемым грунтом, которые складываются из активного давления грунта и давления воды.

В настоящее время используется два типа конструкции подпорных стенок:

Рис. 2.Основные типы конструкций подпорных стенок (а - гравитационные, б- свайные).

• гравитационные - они обеспечивают устойчивость за счет массы стенки и массы грунта,

находящегося над подошвой конструкции стенки, и силы трения, возникающей в плоскости подошвы стенки (рис. 2а);

• свайные стенки представляют собой облегченные конструкции, защемленные в

грунтовом основании, которые являются устойчивыми за счет создания пассивного отпора давлению грунта в нижней части стены или наличия специального крепления анкерного типа в верхней части стены (рис. 2б).

При нарушении равновесия сил подпорная стенка может потерять устойчивость, вследствии чего могут возникнуть деформации, такие как опрокидование, сдвиг, навал стенки на грунт.

Рис. 3. Деформация подпорных стенок (а- опрокидование, б- сдвиг, в- навал стенки на грунт)

Явление навала характерно для высоких подпорных стенок.

Для повышения устойчивости подпорных стенок на сдвиг и опрокидование при их проектировании принимают ряд следующих действий:

• заднюю грань стенки проектируют с наклоном в сторону засыпки (для уменьшения

активного давления грунта)

• увеличивается шероховатость задней грани стенки. Это помогает уменьшить активное

давление грунта и увеличить пассивное давление грунта;

• устраивается дренаж в засыпке;

• с лицевой стороны стенки устраивается выступ- консоль. Это позволяет вероятность

уменьшить опрокидования стенки.

Конструкция стенки состоит из фундамента, тела, дренажа, водоотвода.

Фундамент - подземная часть несущей конструкции подпорной стенки. По степени заглубления фундаменты подпорных стенок подразделяются на фундаменты мелкого и глубокого заложения. Фундамент глубокого заложения - глубина заложения которых в 1,5 и более раза превышающая их толщину в поперечном сечении. Толщина фундамента и глубина его заложения зависит от размеров в конструкции подпорной стенки, характеристик подстилающих грунтов и глубины промерзания грунта.

Фундаменты делятся на ленточные и свайные. Ленточный фундамент представляет собой монолитную или сборную, состоящую из отдельных блоков конструкцию, повторяющую линию подпорной стенки. Глубина залегания такого фундамента - не менее 60см. При промерзании грунта, глубину фундамента связывают с глубиной промерзания. Свайные фундаменты обычно более глубокие, чем ленточные. Ряды свай заглубляют в грунт на несколько метров. Такой метод используют при необходимости проникновения под телом стенки потока грунтовых вод. В этом случае грунтовые воды могут свободно проходить между сваями, не создавая подпора для стенки и склона.

Тело подпорной стенки - наземная часть несущей конструкции, которая также выполняет и декоративные функции. Тело гравитационных подпорных стенок для обеспечения их устойчивости должно обладать достаточной массой. Оно может быть как жестко закрепленной, так и упругой конструкцией.Стенки с жестко закрепленной конструкцией - это стенки монолитной конструкции из бетона, кладки из камня, кирпича или бетонных блоков, связанных цементным раствором. К упругим конструкциям относятся подпорные стенки, которые выдерживают небольшие деформации без растрескивания. К этой группе относятся стенкип каменной кладки без укрепления раствором (сухая кладка). Ширина верхней части таких стенок не должна быть меньше 45см, обычно она составляет 45-60см.

Подпорные стенки из дерева не рекомендуется использовать в холодном и влажном климате. Это связано с их недолговечностью в таких условиях. В основном это стенки свайного типа. Древесина для их строительства предварительно должна быть обработана антисептическими материалами.Для обеспечения устойчивости стенок свайного к опрокидованию требуется заглубление опор на глубину, равную их высоте. Применение стенок высотой более 90см экономически нецелесообразно. Деревянные стенки небольшой высоты могут применены для создания цветочных контейнеров.

В зависимости от конструкции и высоты подпорной стенки определяют необходимость наклона ее передней и задней граней. Для гравитационных подпорых стенок жестко закрепленной конструкции, высота которых вместе с фундаментом не превышает 1,5м наклон граней не требуется. При увеличении высоты наклон передней стенки позволяет создавать оптическую иллюзию вертикальности, это улучшает ее визуальное восприятие и позволяет скрыть недостаткив отделке фасада (незначительные неровности при наклоне становятся менее заметными). Помимо этого, наклон может повысить устойчивость стенки к опрокидованию. Рекомендуемый наклон передней грани для жестко закрепленных конструкций составляет 12:1, для упругих конструкций - 6:1, для деревянных стенок, а также для габионов и сухой каменной кладки - 6°.

При строительстве подпорной стенки для повышения ее прочности необходимо создание дренажа и водоотвода. Повышение прочности конструкции подпорной стенки происходит за счет снижения давления воды со стороны грунта, и предотвращения явлений эрозии поверхностными водами. Дренаж акже бориться с явлением морозного пученья грунта.

Вода, прибывающая со стороны склона и скапливающаяся за стенкой удаляется с помощью продольного и поперечного дренажа, связанного водоотводящей сетью.

Верхнюю часть подпорной стенки планируют с уклоном 20% в сторону водоотводящей канавки (которую проектируют вдоль стенки и связывают с ливневой сетью) для организации поверхностного стока.

Плотность сыпучих грунтов, имеющая первостепенное значение для оценки их как оснований сооружений, не может быть оценена визуально и поэтому ее определяют специальными испытаниями: лабораторными – по коэффициенту пористости и по так называемой относительной плотности, определяемым по образцам грунта, взятым из буровых скважин или шурфов; полевыми – зондированием в месте непосредственного залегания грунтов.

Для чистых песков достаточно определить их природный коэффициент пористости.

Более общей характеристикой плотности песчаных грунтов любого минералогического состава является их относительная плотность, или индекс плотности .

При - грунт рыхлый; - средней плотности; - плотный.

Расчетные сопротивления для предварительных расчетов песчаных оснований назначают по СНиПу в зависимости от плотности, водонасыщенности и состава песков.

Консистенция глинистых грунтов. Уплотненность глинистых грунтов определяется их консистенцией, под которой понимают густоту и в известной мере вязкость грунтов, обусловливающие способность их сопротивляться пластическому изменению формы. Густота и вязкость грунтов зависят от количества соотношений твердых частиц и воды в единице объема грунта, а также от сил взаимодействия между частицами грунта.

В зависимости от индекса текучести различают следующие виды глинистых грунтов:

Твердая - полутвердая , тугопластичная мягкопластичная текучепластичная текучая

Показатели консистенции глинистых грунтов имеют столь же существенное значение для общей их оценки, как и показатели плотности для грунтов песчаных, так как по величине их назначают расчетные сопротивления оснований.

Кроме того, для глинистых грунтов их консистенция имеет значение и для установления применимости тех или иных расчетных теорий.

4. Как определяется фильтрационная консолидация водонасыщенных оснований.