Строительство в условиях набухающих, вечномёрзлых, засоленных грунтов
Тема 5. Строительство в условиях набухающих, вечномёрзлых, засоленных грунтов.
5.1 Определение характеристик набухающих грунтов.
Грунты, способные при увлажнении увеличиваться в объеме, а при понижении влажности давать усадку относятся к набухающим. К набухающим относятся пылевато-глинистые грунты, для которых величина относительного набухания без приложения внешней нагрузки ε0 sω ≥ 0,04. Кроме относительного набухания при заданном давлении εsω эти грунты характеризуются давлением набухания рsω , влажностью набухания ωsω и относительной усадкой при высыхании. Для предварительной оценки набухающих грунтов используется показатель П = (еl −e)/(1+e)(при П > 0,3 грунты относятся к набухающим).
Способностью набухать отличаются также некоторые виды шлаков и глинистых грунтов, замоченных химическими отходами производств (например, серной кислоты). В отмечается, что деформации набухания при замачивании растворами серной кислоты в 3,5 – 4 раза больше деформаций набухания при замачивании водой. Набухание песчаных грунтов может происходить при взаимодействии их с растворами щелочи.
Набухание грунтов в основании возможно за счет подъема уровня грунтовых вод, накопления влаги под сооружением за счет поверхностных и производственных вод, изменения водно-теплового режима. Величина набухания зависит от давления на основание, вида и состояния грунта, площади замачивания, толщины набухающего слоя.
Изменения влажности и вызванные ими неравномерные перемещения грунта часто приводят к трещинообразованию или разрушению. Особенно значительны деформации, вызванные подъемом основания при незначительном давлении на грунт.
Набухающие грунты классифицируются на:
• слабонабухающие 0,04 ≤ ε0 sω ≤ 0,08;
Рекомендуемые материалы
• средненабухающие 0,08 ≤ ε0 sω ≤ 0,12;
• сильнонабухающие ε0 sω > 0,12,
1) при инфильтрации атмосферных и производственных вод – на глубине, где суммарное давление на слой грунта σz,tot равно давлению набухания рsω;
2) при наличии подземных вод – на три метра выше установившегося уровня подземных вод, но не ниже установленного по п. 1;
3) при экранировании поверхности и изменении водно-теплового режима – по экспериментальным данным, а при их отсутствии – на глубине пять метров от уровня планировки.
Расчёт деформации основания.
Расчет оснований сооружений на набухающих грунтах производится по деформациям, как на обычных грунтах, и, при необходимости – по несущей способности. При определении расчетного сопротивления рекомендуется увеличивать его значение в 1,2 раза, если осадка фундамента ≤ 0,4 [su], что будет способствовать уменьшению величины подъема фундамента при набухании грунта.
Конструктивные мероприятия по уменьшению и выравниванию деформации основания.
Если определяемая расчетом деформация основания окажется больше допустимой, то должны предусматриваться мероприятия, уменьшающие возможную величину деформаций за счет предварительного замачивания, применения компенсирующих песчаных подушек, замены слоя набухающего грунта другим, не набухающим грунтом. Скважины для предварительного замачивания располагают в шахматном порядке, диаметр скважин 10 … 25 см, глубина – на 0,5 м меньше требуемой по проекту толщины замачивания. Заполняют скважины дренирующим материалом. Процесс замачивания контролируют поверхностными марками. Замачивание прекращают, когда величина подъема поверхности составит 0,8 расчетной.
После замачивания верхний слой грунта снимают и устраивают песчаную подушку толщиной 0,3 … 1 м. Расчет оснований после их предварительного замачивания производится по характеристикам замоченного грунта.
Компенсирующие подушки устраивают на уровне в пределах слоя набухающего грунта только для ленточных фундаментов шириной до 1,5 м при давлении под подошвой не менее 0,1 МПа. При небольших вертикальных нагрузках применяют фундаменты на естественном основании с анкерами, свайные фундаменты из забивных и набивных свай. Наиболее рациональны фундаменты с уширением в пределах слоя набухающих грунтов.
Кроме этих мероприятий целесообразны конструктивные, приспосабливающие здания к восприятию неравномерных деформаций путем разбивки зданий на отдельные отсеки осадочными швами и устройства армированных железобетонных поясов в нескольких уровнях, а также водозащитные, для предотвращения локального замачивания грунтов атмосферными и производственными водами. Это обеспечивается планировкой территории, достаточными размерами и уклоном отмостки, изоляцией водонесущих трубопроводов и их доступностью для осмотра.
5.2 Особенности строительства на засоленных грунтах (опыт строительства в центральном Казахстане).
Засоленными называются грунты, в которых содержится более 5% среднерастворимых солей или более 0,3% легкорастворимых солей от веса сухого грунта. К легкорастворимым солям относятся хлористые соли натрия NaCI, калия КСl кальция СаС12 и магния MgCl2, бикарбонаты натрия NaHCO3 сульфаты натрия Na2S04 и магния МgS04 . К среднерастворимым солям относятся гипс CaS04*2H20 и ангидрит CaS04.
Засоленные грунты занимали около 10% территории б. Советского Союза и залегают с поверхности в районах Средней Азии, Казахстана, Приднепровья, Северного Кавказа, Западно-Сибирской низменности и Урала. Эти грунты могут быть маловлажными твердой консистенции, водонасыщенными и зачастую cильнocжимaeмыми.
Сложность строительства на засоленных грунтах обусловлена тем, что деформации проявляются как в процессе возведения сооружений, так и в период их эксплуатации. На засоленных глинистых грунтах твердой консистенции деформации происходя при замачивании и проявляются в виде резкой просадки зданий Это объясняется тем, что при водонасыщении грунтов и растворении солей резко уменьшается прочность контактов отдельных частиц, в результате чего изменяются характеристики прочности, значение модуля общей деформации. В ряде случаев процесс растворения солей в грунтах происходит очень быстро (особенно при взаимодействии легкорастворимых солей с горячей водой), и суффозионная просадка происходит в течение небольшого промежутка времени.
При строительстве на водонасыщенных глинистых грунтах процесс вымывания из них солей (химическая суффозия) протекает длительное время. Однако уплотнение (консолидация) засоленных водонасыщенных глинистых грунтов в натурных условиях занимает значительно меньший период, чем по расчету осадки с использованием теории фильтрационной консолидации. Но и в этих случаях деформации грунтового массива часто бывают значительными, протекают локально, что вызывает неравномерные осадки соседних фундаментов и нарушает эксплуатационную пригодность зданий и сооружений. В некоторых случаях процесс растворения солей происходит в течение очень небольшого промежутка врмени, особенно тогда, когда в состав засоленных грунтов входят легкорастворимые соли.
Проблема строительства промышленных и гражданских сооружений на засоленных грунтах в Центральном Казахстане стала особенно актуальной в последние годы, поскольку вследствие интенсивной мелиорации засушливых районов большие площади ранее маловлажных засоленных грунтов оказались обводненными, что привело к их просадкам. В результате деформации получили не только построенные здания, но и еще строящиеся.
Следует отметить, что проектировщики обычно не получают информации о специфике засоленных грунтов, так как до сих пор не разработаны нормы и рекомендации по проведению инженерно-геологических изысканий на строительных площадках, сложенных засоленными грунтами. Геологи часто указывают только на агрессивность подземных вод, не проводя специальных исследований о характере, виде и свойствах солей, содержащихся в грунте. Поэтому проектировщики принимают меры лишь по защите тела фундамента от вероятной коррозии, указывая в проекте о необходимости защиты поверхности бетонных конструкций. Строители, не получив специальных указаний в проекте на производство строительных работ в засоленных грунтах, проводят работы по таким же технологическим схемам, как и при строительстве на обычных грунтах. В результате при производстве работ поверхностные и подземные воды часто затопляют котлован и попадают в материал обратной засыпки фундаментов и подвальных стен. Строители откачивают воду из котлована, не устраивая зумпфов, вследствие чего засоленные грунты в основании строящихся зданий обессоливаются и получают свойства, существенно отличающиеся от свойств грунтов, первоначально описанных инженерами-геологами. Сжимаемость обессоленных грунтов существенно увеличивается, а прочность в несколько раз уменьшается и в результате фактические осадки строящихся сооружений иногда в несколько раз превышают расчетные значения.
Железобетонные фундаменты под промышленные и гражданские сооружения, строящиеся на засоленных грунтах, проектируются теми же методами, что и для строительства на незаселенных грунтах. При этом не учитываются особенности распределения контактных напряжений по подошве жестких фундаментов, закладываемых на маловлажных засоленных грунтах, и возможность изменения эпюры контактных напряжений при обводнении засоленных грунтов основания.
Осадки фундамента на засоленных грунтах рассчитываются таким же образом, как и осадки фундаментов на незасоленных грунтах, поскольку до настоящего времени не проведены экспериментальные исследования по изучению глубины сжимаемой зоны в основании фундамента на засоленных грунтах и изменения ее мощности при обводнении.
До настоящего времени не разработаны способы устройства искусственных оснований на засоленных глинистых грунтах, что очень важно, особенно при содержании в грунтах легкорастворимых солей. Обычно в таких грунтах применяются свайные фундаменты, которые часто подвергаются коррозионному воздействию.
Сложность исследования свойств засоленных глинистых грунтов заключается в том, что соли присутствуют в грунтах в виде отдельных друз, прожилок, концентрированных солевых растворов. Чтобы найти общую закономерность для таких грунтов, необходимо целенаправленно исследовать засоленные глинистые грунты различных регионов.
По результатам анализа причин деформаций, а в ряде случаев и аварий различных сооружений, которые произошли в процессе их строительства и эксплуатации, изучены результаты работы различных экспертных комиссий по разбору аварий и деформаций сооружений, проанализированы обобщены различные случаи деформаций сооружений по опубликованным и ведомственным материалам. В результате предложены следующие мероприятия и способы устройства искусственны оснований и фундаментов на засоленных глинистых грунтах:
1. Прорезка толщи засоленных грунтов (6—8 м) железобетонными сваями. Погрузить сборную железобетонную сваю в прочные твердые засоленные грунты очень трудно, поэтому приходится сначала бурить лидирующие скважины. Опыт применения буронабивных свай из бетона на портландцементе оказался неудачным поскольку бетон подвергался солевой коррозии. Применение буронабивных свай целесообразно только при использовании сульфатостойких, бариестойких и низкоалюминатных цементов, надежной гидроизоляции тела свайного фундамента и при несущей способности сваи не менее 1200 кН.
2. Проведение водозащитных мероприятий, таких же как и пpи строительстве на лессовых грунтах, — устройство отмосток вокруг здания, перекрывающих обратную засыпку; прокладка водоводов в железобетонных лотках; ограничение поливов зеленых насаждений вокруг здания и т.п. Как показал опыт строительств; на засоленных грунтах, полагаться только на водозащитные мероприятия нельзя, поскольку в процессе эксплуатации зданий и сооружений подтопление их оснований неизбежно, поэтому водозащитные мероприятия следует применять совместно с другими методами.
3. Применение конструктивных мероприятий — приспособление зданий к неравномерным осадкам; усиление подземной и надземной частей здания жесткими железобетонными поясами; разрезка здания осадочными швами на отдельные жесткие блоки (при локальном выщелачивании солей в засоленных глинистых грунтах) . Поскольку железобетонные конструкции имеют значительную открытую поверхность, в подземной и цокольной частях здания возможна солевая коррозия бетона и поэтому применение монолитного железобетона в подземной и цокольной частях здания или сооружения следует сочетать с водозащитными мероприятиями.
4. Уплотнение и искусственное закрепление грунтов. Опыт эксплуатации сооружений на основаниях, уплотненных песчаными дренами или электроосмотическим осушением, показал большую экономичность и целесообразность этих методов по сравнению с устройством свайных фундаментов. В результате применения такого уплотнения сокращается расход цементов и металла и повышается надежность основания.
Принципы расчёта деформаций основания в засоленных грунтах.
Засоленные грунты характеризуются изменением физико-механических свойств (пластичности, гранулометрического состава, пористости, плотности) в процессе выщелачивания солей. Эти грунты при длительной фильтрации способны давать суффозионную осадку или просадку. Одной из основных характеристик этого вида грунтов является относительное суффозионной сжатие εsf , определяемое обычно полевыми испытаниями и лабораторными методами.
При расчете суффозионной осадки необходимо принять схему фильтрационного потока в основании фундамента.
При расчете по схеме 1 определяют распределение гипса в расчетный момент времени в пределах сжимаемой зоны. По этим значениям строят ступенчатую функцию d0 (z) = const, а вся зона разбивается на слои по 0,5 м.
Зона суффозионной осадки в основании ограничивается глубиной Нс где суммарные вертикальные напряжения от нагрузки фундамента и собственного веса равны начальному давлению суффозионного сжатия psf . Слой, в котором содержание гипса будет равно начальному, является нижней границей выщелачиваемой зоны. Для нижележащих слоев расчет растворения гипса не проводят. При превышении деформациями предельно допустимых значений или недостаточной несущей способности необходимо предусматривать водозащитные мероприятия с возможным устройством подушки из глинистых грунтов, прорезкой толщи засоленных грунтов свайным фундаментом, закрепление или уплотнение грунтов, предварительное рассоление с использованием песчаных дрен.
При проектировании фундаментов в засоленных грунтах особое внимание следует уделить антикоррозионным мероприятиям для защиты тела фундамента от агрессивного воздействия вод и грунтов. Для этого применяют особоплотный бетон на сульфатостойком портландцементе, вводят в бетон различные добавки.
5. 3 Строительство в условиях вечномёрзлых грунтов.
Северная строительно-климатическая зона включает районы Крайнего Севера, Западной и Восточной Сибири, Дальнего Востока. Она отличается широким диапазоном изменения температур и влажности воздуха, ветровых воздействий, ландшафта.
Вечномерзлые грунты имеют отрицательную или нулевую температуру, содержат в своем составе лед и находятся в мерзлом состоянии в течение многих лет. Они имеют сплошное или островное распространение. В северных районах мощность их достигает 500 м. Поверхностный слой подвергается сезонному оттаиванию – промерзанию. По состоянию в природных условияхвечномерзлые грунты подразделяются на твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые. Инженерно-хозяйственная деятельность человека приводит к ослаблению вечной мерзлоты, к появлению термокарстовых явлений.
Тепловые загрязнения геологической среды в процессе хозяйственной деятельности часто являются причиной массовых деформаций зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах. Отепляющие воздействия инфраструктуры приводят к развитию термокарста. При чрезмерном охлаждении возможны деформации, вызванные морозобойным растрескиванием, пучением грунтов.
В состав мероприятий по инженерной подготовке территорий входит: вертикальная планировка; устройство дорог и прокладка коммуникаций, отвод поверхностных вод; осушение; недопущение затопления, образования термокарстов.
При строительстве на вечномерзлых грунтах применяют два основных принципа: I – грунты основания сохраняют в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации; II – грунты основания используют в оттаявшем или в оттаивающем состоянии.
При строительстве по I принципу, несущие конструкции проектируют без учета их осадочных деформаций. Конструктивная система здания такая же, как и при строительстве в обычных условиях. Основным видом фундаментов являются свайные. Поверху свай устраивается сплошной ростверк. Допускается применение столбчатых железобетонных и монолитных бетонных фундаментов.
Сохранение вечномерзлого состояния грунтов при проектировании по принципу I достигается: возведением зданий на подсыпках; теплоизоляцией поверхности грунта под полом; устройством вентилируемых подполий; расположением на первом этаже неотапливаемых помещений; прокладкой под полом охлаждающих вентиляционных каналов; искусственным охлаждением грунтов.
Принцип I должен применяться, если грунты застраиваемой территории можно сохранить в мерзлом состоянии при экономически целесообразных затратах. Использование пластично мерзлых грунтов в качестве основания по принципу I допускается при условии понижения их температур.
Принцип II должен применяться при наличии в основании скальных грунтов или вечномерзлых, деформация которых при оттаивании не превышает предельно допустимых значений для проектируемых сооружений и в тех случаях, когда это экономически оправдано. Уменьшение деформаций может быть достигнуто предварительным искусственным оттаиванием на заданную глубину, устройством грунтовых подушек, увеличением глубины заложения и прорезкой сильносжимаемых слоев с опиранием на малосжимаемое основание.
В отмечается, что возводимые системы неремонтнопригодны, т.е. работают до первого отказа. Предполагается создать ремонтнопригодные системы с управляемой величиной долговечности. Для этого в конструкциях зданий следует предусматривать возможность восстановления их первоначальных форм.
Регулирование теплового взаимодействия здания с основанием позволит повысить долговечность в несколько раз. Вентилируемое подполье позволяет стабилизировать верхнюю границу вечномерзлых грунтов. Режим вентиляции назначается из условия равенства глубины промерзания грунтов в подполье глубине их последующего оттаивания.
При наличии в основании твердомерзлых грунтов основание рассчитывают только по первой группе предельных состояний.
Расчёт по деформациям.
Вам также может быть полезна лекция "Порядок выполнения и завершения ГОР".
Расчет оснований, используемых по принципу I по второй группе предельных состояний для твердомерзлых грунтов, имеющих высокие значения Е, не производят.
Осадка столбчатого фундамента, возводимого на пластично-мерзлых грунтах определяется по схеме линейно-деформируемого основания или линейно-деформируемого слоя конечной толщины. Модуль деформации Е и коэффициент сжимаемости определяются по результатам полевых испытаний. Осадка свайных фундаментов в этих грунтах определяется по результатам статических испытаний.
При расчете оснований фундаментов, проектируемых по принципу II (без сохранения вечномерзлого состояния грунта), рассматривают случаи:
1) грунт основания предварительно оттаян на всю глубину;
2) только в верхней зоне, а остальная часть оттаивает в процессе эксплуатации;
3) грунт основания оттаивает на всю глубину в процессе эксплуатации.
