ФУНДАМЕНТИ В СКЛАДНИХ ТА ОСОБЛИВИХ ІНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГІЧНИХ УМОВАХ

До складних інженерно-геологічних відносяться такі умови, коли для проведення будівництва необхідне покращення властивостей грунтів (ущільнення, закріплення), їх заміна або використання спеціальних фунда­ментів (наприклад, пальових). Такі заходи проводять у просідаючих, набухаю­чих, заторфованих, засолених та насипних грунтах. Сейсмічні регіони, території з підземними порожнинами та виробками, ділянки з можли­вими зсувами відносять до особливих умов.

1. Фундаменти на просідаючих грунтах.Просідаючими називаються глинисті грунти, які під дією зовнішнього навантаження або (і) власної ваги при замочуванні водою чи іншими розчинами дають додаткове осідання, що називається просіданням, причому величина відносного просідання ε_sl≥0,01.

Проектування основ і фундаментів на просідаючих грунтах виконують з урахуванням типу грунтових умов за просіданням. Грунтові умови ділянок, складених просідаючими грунтами, розділяються на два типи:

перший - просідання від власної ваги замоченого грунту відсутнє або не перевищує 5см;

другий - просідання від власної ваги замоченого грунту перевищує 5см.

Величина просідання замоченого грунту від власної ваги визначається потужніс-тю просідаючої товщі та величиною відносного просідання.

Знаючи величину відносного просідання ε_sl (див. тема 6) можна визначити просідання ос­нови за формулою

,де (13.1)

- число шарів, на які розділена просідаюча товща; - товщина і-го розрахун-кового шару; - коефіцієнт, приймається рівним 1 при визначенні просідання грунту від власної ваги. Приклад визначення типу грунтових умов за просіданням див. МВ 053-54.

Якщо замочування просідаючих грунтів неможливе, то будівництво ви­конують як у звичайних умовах. В протилежному випадку передбачають такі заходи:

- ліквідація властивостей просідання грунтів шляхом їх ущільнення або закріплення;

- прорізання просідаючої товщі фундаментами або масивами із закріпленого грунту;

- водозахисні заходи;

- конструктивні заходи;

- збільшення розмірів підошви фундаментів таким чином, щоб діючі сумарні на­пруження (від власної ваги і зовнішнього навантаження) в просідаючій товщі не перевищували початкового тиску просідання.

Якщо сумарна величина осідань і просідань, а також їх нерівномірність не перевищують допустимих величин, то вищенаведені заходи можна не передбачати.

Ми знаємо, що просідання грунтів відбувається за рахунок руйнування структурних зв‘язків, які складені легкорозчинними солями. Отже, для того щоб позбутися властивостей просідання необхідно попередньо зруйнувати ці структурні зв‘язки чи зробити їх стійкими до води чи будь-якої іншої рідини.

Ущільнення просідаючих грунтів виконують важкими трамбівками, грунтовими палями, витрамбовуванням котлованів, попереднім замочуванням (з вибухами чи без) тощо. Властивості просідання втрачаються при г/см³.

Ущільнення грунтів важкими трамбівками. Економічно доцільним є використання цього методу для ущільнення просідаючої товщі потужністю до 4м. Методика полягає в слідуючому. Трамбівку мосою 3-5т, яка змонтована на базі крана, піднімають на висоту 5-7м і різко опускають. Під дією власної ваги вона, падаючи на грунт, ущільнює його. Кількість ударів по одному сліду для забезпечення необхідного значення на потрібну глибину визначається експериментально.

Фундаменти в витрамбованих котлованах.Методика аналогічна до попередньої, проте кількість ударів по одному сліду значно більша. В результаті цього в грунті утворюється заглиблення (котлован), в якому влаштовується монолітний фундамент мілкого закладення.

Ущільнення основ грунтовими палями.Суть методу полягає в тому, що в грунті пробивають чи пробурюють свердловини, які заповнюються грунтом з пошаровим його ущільненням. При цьому ущільнюється просідаючий грунт навколо свердловин (рис 13.1).

Раціональним є використання методу при потужності просідаючої товщі 8-20м і воло­гості, близькій до оптимальної.

У верхній частині масиву відбувається випирання грунту, тобто утворюється неущільнений буферний шар, який зрізають або доущільнюють трамбуванням..

Ущільнення грунтів замочуванням з вибухами. Ущільнення попереднім замочуванням відбувається за рахунок просідання замоченого грунту від власної ваги. При цьому зменшують пористість нижні шари грунтів, починаючи з глибини, на якій природні напруження перевищують початковий тиск просідання. Верхні шари недоущільнюються, тому замочуванням переводять грунти з ІІ-го типу в І-ий тип за просіданням. Замочування проводиться в котлованах (з свердловинами і без них). Для підвищення ефективності методу в замоченому грунті проводять глибинні вибухи.

Хімічне закріплення грунтів виконують шляхом нагнітання в просідаючу товщу закріплюючих розчинів (рідке скло - силікатизація, різні смоли - смолізація).

При взаємодії закріплюючих розчинів з солями, що містяться в грунті утворюються компоненти, які є стійкими до води чи будь-якої іншої рідини. Схема хімічного закріпення грунтів показана на рис. 13.2.

Якщо новоутворені структурні з‘язки в закріпленому грунті є недостатньо стійкими до води, то вико­ристовують дворозчинну силікатизацію (почергово нагнітають рідке скло і хлористий кальцій) або газову силікатизацію (рідке скло плюс вуглекислий газ).

При низькому коефіцієнті фільтрації грунту ви­користовують електросилікатиза-цію (одно- чи дво­розчинну). Через грунт пропускають постійний елек­тричний струм, який спричиняє рух катіонів разом з водою від ін’єктора до електрода.

Технологічні параметри закріплення визначаються за емпіричними залежностями, наведеними в довіднику [21].

Використання пальових фундаментів. В усіх випадках палі повинні прорізати просідаючі грунти і заглиблюва­тись в скельні, піщані (крім пухких) чи глинисті грун-ти з показником текучості у во­донасиченому стані для грунтів I-го типу за просіданням, а для II-го - при і при ( - просідання грунту від власної ваги; - гранично допустиме осідання фундаменту будівлі). Величина заглиблення палі в непросідаючий грунт визначається виходячи з необхідної несучої здатності палі і повинна бути не менше 1м для всіх грунтів, крім скельних і велико­уламкових, для яких вона приймається не менше 0,5м.

Несуча здатність паль в грунтових умовах I-го типу за просіданням (рис. 13.3) визначається з умови, що такі грунти зменшують несучу здатність при замочуванні. Значення опору грунту на бічній поверхні паль (f) межах просідаючої товщі слід приймати рівним нулю.

В процесі просідання грунтів в грунтових умовах II-го типу за просіданням на бічній поверхні паль виникає негативне тертя (рис. 13.4), яке створює додаткове навантаження, тому розрахунок виконують виходячи з умови

, де (13.3)

- розрахункове навантаження на палю; - допусти- ме навантаження на палю; - несуча здатність палі, що виз-начається на глибині, де діє позитивне тертя; - коефіцієнт надійності; - коефіцієнт умов роботи: при см ; при . Для проміжних значень визначається інтерполяцією; - сила негативного тертя. При можливому замочуванні зверху ви­значається як для зволоженого грунту при показнику текучості, розрахованому за формулою

(13.4)

Якщо визначене за (13.4) значення , то приймають, .

У випадку підйому рівня грунтових вод визначається за формулою

, де (13.5)

- периметр палі; - глибина, в межах якої діє сила негативного тертя (приймається рівною глибині, нижче якої просідання грунту від власної ваги дорівнює 5см); - товщина і-го шару грунту (в межах, де проявляється негативне тертя); - розрахунковий опір грунту, визначається до глибини 6м за формулою

, (13.5)

а нижче приймається постійним.

Тут - коефіцієнт бічного тиску; - напруження від власної ваги грунту; - значення кута внутрішнього тертя і питомого зчеплення грунту в межах .

Якщо просідання грунту від власної ваги перевищує 30см, то передбачають попереднє замочування просідаючої товщі для переведення таких грунтів в І-й тип грунтових умов за просіданням. Несучу здатність палі в цьому випадку визначають з урахуванням попереднього замочування просідаючої товщі.

Водозахисні заходи. Ці заходи включають: компоновку генплану (збереження природних умов стоку поверхневих вод); планування території, що забудовується (зберігаються шляхи природного стоку води); відвід поверхневих вод через стічну мережу; влаштування під будівлями і спорудами водонепроникливих екранів; якісну засипку пазух; влаштування відмосток навколо будівель; прокладку комунікацій для води в спеціальних лотках; відвід аварійних вод за межі будівель; виготовлення водонепроникних підлог і т.п.

Вимоги до таких заходів наводяться в “Пособии по проектированию ос­нований зданий и сооружений” [22].

Водозахисні заходи, як показав досвід експлуатації будівель споруджених з їх застосуванням, не надійні і можуть використовуватись для маловідповідальних будівель.

Конструктивні заходи. Такі заходи призначають, виходячи з розрахунків конструкцій на нерівномірні просідання грунтів. Вони розділяються на три групи: підвищення жорсткості будівель; збільшення податливості будівель; забезпечення нормальної експлуатації будівель при нерівномірних деформаціях будівель.

За конструктивними особливостями будівлі і споруди розділяються на:

жорсткі - складають одну просторову цілісність (труби, силоси, башти тощо);

відносно жорсткі - чутливі до нерівномірних деформацій, складаються із жорстко зв’язаних елементів (всі житлові і цивільні та деякі промислові будівлі);

гнучкі - елементи будівель зв’язані між собою шарнірно (одноповерхові промислові будівлі, естакади тощо).

Заходи 1-ї групи використовують для відносно жорстких будівель, 2-ї групи - для гнучких будівель, а 3-ї групи (в сукупності із заходами 1-ї і 2-ї груп) - для будівель, що мають спеціальне технологічне обладнання (ліфти, мостові крани тощо) і направлені на забезпечення нормальної експлуатації цього обладнання.

Підвищення жорсткості будівель досягаються: розрізкою деформаційними швами; влаштуванням залізобетонних поясів, армованих швів; підсиленим армуванням стиків між елементами; використанням монолітних фундаментів і т.п.

Збільшення податливості будівель забезпечується гнучкими зв’язками між елементами конструкцій, збільшенням площі опирання елементів і стійкості елементів при підвищених деформаціях та ін.

Забезпечення нормальної експлуатації будівель досягається шляхом використання таких конструктивних рішень, які дозволяють відновити нормальну експлуатацію кранів, ліфтів і т.п. (використання болтових з’єднань, спеціальні фундаменти, запаси в розмірах тощо).

2. Фундаменти на набухаючих грунтах. До набухаючихвідносяться глинисті грунти, які при замочуванні водою чи іншими розчинами збільшуються в об’ємі, причому величина відносного набухання у вільному стані (без навантаження) ε_sw≥0,04.

Підняття фундаменту від набухання визначають за формулою

,де (13.6)

- число шарів, на які розділена набухаюча товща грунту; - товщина і-го розрахункового шару; - коефіцієнт, який залежить від величини загального вертикального напруження на глибині .

Якщо замочування набухаючих грунтів неможливе, то будівництво ви­конують як у звичайних умовах. В протилежному випадку передбачають такі заходи:

- ліквідація властивостей набухання грунтів шляхом їх закріплення (див. п.13.1);

- прорізання набухаючої товщі фундаментами або масивами з закріпленого грунту;

- водозахисні заходи (див. п.13.1);

- конструктивні заходи (див. п.13.1);

- зменшення розмірів підошви фундаментів таким чином, щоб діючі сумарні на­пруження (від власної ваги і зовнішнього навантаження) в набухаючій товщі перевищували початковий тиск набухання.

Якщо сумарна величина осідань і підняття, а також їх нерівномірність не перевищують допустимих величин, то вищенаведені заходи можна не передбачати.

3. Будівництво на насипних та намивних грунтах.До насипних грунтів відносяться: планомірно відсипані (зворотні засипки, грунтові подушки, греблі), відвали грунтів (однорідний склад) та звалища грунтів (неоднорідний склад з вмістом різних відходів). Для насипних грунтів характерні високий ступінь неоднорідності складу та механічних показників.

Найбільш поширеними є такі варіанти будівництва на цих грунтах:

- використання злежаних відсипаних грунтів як природних основ;

- покращення властивостей грунтів шляхом їх ущільнення, закріплення;

- прорізання насипних грунтів пальовими чи іншими фундаментами.

Перший та другий варіанти придатні для грунтів з незначним вмістом органіних речовин.

Як штучні основи на Україні широко застосовують намивні грунти - намиті засобами гідромеханізації грунти на різні низинні території (яри, балки). Для намива-ння в більшості випадків застосовують піски. Наявність глинистих грунтів у складі намиву суттєво погіршує його будівельні властивості (збільшується неоднорідність грунту, час його самоущільнення і знижуються механічні показники).

Час самоущільнення намивних пісків складає декілька місяців. Ці грунти вико-ристовують як природні основи, коли їх деформація (разом з деформаціями підстилаю-чих шарів) не перевищує граничних значень. В протилежному випадку передбачають ущільнення намитого грунту, його прорізання пальовими чи іншими фундаментами.

4. Фундаменти на слабких та заторфованих грунтах.До слабких умовно від-носять грунти, модуль деформації яких не пере­вищує 5мПа. Це водонасичені супіс-ки ( ), суглинки ( ), глини ( ), мули, стрічкові глини (тонкошаруваті відкладення з чергуванням глинистих і піщаних прошарків), сапропелі, водонасичені лесові грунти. Для таких грунтів характерні дуже низька міцність, високі стисливість та во­логість ( ). Більшість з них мають тиксотропні властивості (при дії динамічних навантажень вони втрачають структурну міцність, яка з ча­сом відновлюється).

Методи будівництва на слабких грунтах можна класифікувати таким чином:

- ущільнення або закріплення грунту;

- прорізання слабких шарів пальовими чи іншими фундаментами;

- заміна слабкого грунту;

- конструктивні заходи.

Ущільнення водонасичених слабких грунтів найчастіше виконують статичним навантажен­ням. Для прискорення цього процесу в грунтах, що ущільнюються, влашто­вують дренажні свердловини або спеціальні дрени для фільтрації води знизу-вверх. Навантажен­ням служить штучний насип з місцевого грунту. В міру витіснення води з грунту він поступово ущільнюється.

Вибір фундаменту для передачі навантажень на надійні підстилаючі шари грунтів залежить від конструкції будівлі та інженерно-геологічних умов будівельної ділянки. При відсутності підземних приміщень доцільним є застосу­вання пальових фундаментів, а при їх наявності – фундаменти глибокого закладення.

Заміну слабких грунтів проводять на їх повну або част­кову товщину крупними чи середньої крупності пісками.

Конструктивні захо­ди доцільно застосовувати для будівель і споруд з незначними навантаженнями на основи.

В заторфованих грунтах міститься від 10 до 50% (від ваги сухого грунту), в торфах - понад 50%. Заторфовані грунти і торфи можуть залягати на поверхні (відкриті) або на деякій глибині (поховані). Відкриті торфи, як правило, водонасичені. Вони характеризуються високою пористістю, що зумовлює їх низькі механічні по­казники. Поховані торфи ущільнені шарами вищерозміщених грунтів. Грунтові води в цих грунтах досить агресивні щодо підземних конструкцій будівель і споруд.

5. Фундаменти на засолених грунтах.Засолені грунти зустрічаються в Криму, на Донбасі та в західній частині України. Найчастіше це глинисті грунти, іноді зустрічаються загіпсовані піски. Тривале фільтрування води через засолений грунт призводить до розчинення солей, за рахунок чого знижуються механічні характеристики основи. Відносне суфозійне стиснення визначають за результатами довготривалих компресійно-фільтраційних випробувань зразків засоленого грунту в лабораторних умовах за виразом

, де (13.7)

- висота водонасиченого зразка під тиском ; - висота зразка після тривалої фільтрації води та вилуговування солей при тиску ; - висота зразка природної вологості при тиску .

Суфозійне осідання основи визначають за виразом

, де (13.8)

- кількість шарів, на які розділено зону суфозійного осідання; - відносне суфозійне стиснення і-го шару грунту; - товщина і-го шару грунту.

Умова розрахунку основ за деформаціями буде виконана, якщо осідання від зовнішнього навантаження та суфозійне осідання не будуть перевищувати граничної деформації основи

(9.13)

Якщо остання умова не виконується, то для проведення будівництва передбачають такі заходи:

- попереднє розсолення грунту за допомогою тривалого замочування

- часткове або повне зрізування засоленого грунту;

- прорізання засоленого грунту фундаментами;

- водозахисні і конструктивні.

6. Будівництво на територіях з підземними порожнинами.Наявність порожнин найчастіше зумовлена підземною розробкою корисних копалин та карстовими явищами. Карстові порожнини утворюються в результаті довготривалих фізико-хімічних процесів. Розчинені мінерали та відокремлені частинки грунту переносяться водою на значні відстані, що призводить до росту карсту. В певний момент поверхня грунту осідає і порожнина заповнюється вищележачим грунтом. Переважно карст виявляють в органогенних (крейда, мергель) і хімічних (гіпс, ангідрит) породах, що розповсюджені в Криму, західній Україні та Донбасі.

Будівництво на територіях з підземними виробками проводиться за погодженням з органами державного гірничого контролю. В першу чергу забудовують території, де процес деформації грунтів закінчився або розробка родовищ почнеться по закінченні строку амортизації будівельних об’єктів.

Необхідність будівництва безпосередньо над розробками обгрунтовується техніко-економічними розрахунками. Будівництво виконують, застосовуючи гір-ничі та будівельні заходи захисту будівель і споруд.

Гірничі заходи передбачають:

- закладку розроблених порожнин;

- розробку корисних копалин з розривом в часі і просторі;

- неповну розробку корисних копалин;

- розробку шарів копалин широким фронтом для забезпечення осідання поверхні грунту перед початком будівництва.

До будівельних заходів відносяться:

- розрізка будівель деформаційними швами;

- проектування жорстких будівель;

- проектування гнучких будівель.

- рихтування будівель домкратами;

7. Будівництво в сейсмічних регіонах. Землетруси виникають внаслідок дії різних процесів, що відбуваються в надрах Земної кулі (порушення рівноваги в площинах тектонічних розломів, провали і обвали, вулканічні процеси та ін). Сейсмічні райони позначені в будівельних нормах (СНиП ІІ-7-81 "Строительство в сейсмических районах" [27]). В нашій країні таких районів три: Карпати, Крим та південно-західний регіон.

Силу землетрусів оцінюють за міжнародною 12-бальною шкалою. Згідно діючих норм сейсмічні дії на будівлі та споруди повинні враховуватись при землетрусах 7, 8 і 9 балів. При 10 балах на проведення будівництва потрібний спеціальний дозвіл. Забороняється будівництво в районах, де можлива сила землетрусів 11 і 12 балів.

Руйнівні наслідки землетрусів залежать від жорсткості будівель та від виду і стану грунтів. Діючі норми розділяють всі грунти за сейсмічними властивостями на три категорії. При будівництві на грунтах 1-ї категорії сейсмічність району зменшується на 1 бал, на грунтах 2-ї категорії залишається без змін, а в грунтах 3-ї категорії сейсмічність збільшується на 1 бал. Тому до сейсмічних відносяться райони з можливою силою землетрусу в 6 і більше балів. В сейсмічних районах України сила можливих землетрусів змінюється від 6 до 8 балів.

Коливання будівель викликає появу сил інерції, які додатково завантажують грунтові основи. Тому в сейсмічних регіонах виконують розрахунки основ на основні та особливі сполучення навантажень (розрахунки за несучою здатністю).

Величина сейсмічних навантажень визначається за будівельними нормами [27]. Спрощено величину навантаження можна представити у такому вигляді

, де (9.14)

- коефіцієнт, що враховує динамічні властивості будівлі; - навантаження від будівлі; - сейсмічний коефіцієнт ( - сейсмічне прискорення; - прискорення сили тяжіння).

В сейсмічних регіонах не слід проектувати будівлі на ділянках з можливими зсувами. Фундаменти рекомендується закладати на однаковій глибині, вони повинні мати високу жорсткість і міцність (рекомендується використання пальових фундаментів).

Література

1. ГОСТ 12071-84. Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов.

2. ГОСТ 12374-77. Грунты. Метод полевых испытаний штампами.

3. ГОСТ 12536-79. Грунты. Методы лабораторного определения зернового (грануломет-рического) состава.

4. ГОСТ 13579-78 “Фундаментные блоки стен подвалов”

5. ГОСТ 13580-85 “Плиты железобетонные ленточных фундаментов”

6. ГОСТ 19804-85 “Сваи забивные железобетонные”

7. ГОСТ 20069-81 “Метод полевого испытания статическим зондированием”

8. ГОСТ 22233-77. Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности.

9. ГОСТ 23161-78. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик просадоч-ности.

10. ГОСТ 23908-79. Грунты. Метод лабораторного определения сжимаємости.

11. ГОСТ 24143-80. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик набухания и усадки.

12. ГОСТ 25584-83. Грунты. Метод лабораторного определения коэфициента фильтра-ции.

13. ГОСТ 26158-85. Грунты. Метод лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости при трехосном сжатии.

14. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характерис-тик

15. ГОСТ 5686-78. Сваи. Методы полевых испытаний.

16. ДСТУ Б В.2.1-2-96. Грунти. Класифікація.

17. ДСТУ Б.В.2.1-4-96. Грунти. Методи лабораторного визначення характеристик міцнос-ті і деформованості.

18. ДСТУ Б В.2.1-5-96. Грунты. Метод статистичної обробки результатів визначення характеристик.

19. Зоценко М.Л., Коваленко В.І., Хілобок В.Г., Яковлєв А.В. Інженерна геологія. Механі-ка грунтів. Основи і фундаменти К.: Вища школа. - 1992 .

20. Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений М.: Высшая школа. - 1991.

21. Основания, фундаменты и подземные сооружения. Справочник проектировщика М.: Стройиздат.- 1985.

22. Пособие по проектированию оснований и сооружений (к СНиП 2.02.01-83) М.:Строй-издат.- 1987.

23. СНиП 1.02.07-83 Инженерные изыскания в строительстве М.:Стройиздат.- 1985.

24. СНиП 2.02.01-83 Основания зданий и сооружений М.:Стройиздат.- 1985.

25. СНиП 2.02.03-85 Свайные фундаменты М.:Стройиздат.- 1986.

26. СНиП 2.02.07-85 Нагрузки и воздействия М.:Стройиздат.- 1986.

27. СНиП СНиП ІІ-7-81 "Строительство в сейсмических районах" М.:Стройиздат.- 1981.