Способы изготовления свай

Расчет по перемещениям свайных фундаментов от действия горизонтальных нагрузок и моментов заключается в выполнении условий

up?uu; шp?шu,

где up и шp -- расчетные значения соответственно горизонтального перемещения, м, и угла поворота, рад, свайного фундамента;

uu и шu -- их предельные значения, устанавливаемые в задании на проектирование.

Расчет свай и ростверков по прочности материала производится в зависимости от применяемых материалов по соответствующим СНиПам и инструкциям.

Основные принципы проектирования оснований и фундаментов

Фундаменты устраиваются для передачи нагрузок от конструкций зданий и сооружений, установленного в них технологического и другого оборудования и полезных нагрузок на грунты основания. Основание, воспринимая эти нагрузки, претерпевает, как правило, неравномерные деформации, что вызывает появление в конструкциях дополнительных перемещений и усилий. При неправильном проектировании, подготовке оснований и возведении фундаментов это может привести к тому, что даже безупречно выполненная конструкция сооружения перестанет удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям. Мировой опыт строительства показывает, что большинство аварий построенных здании н сооружений вызвано ошибками, связанными с возведением фундаментов и устройством оснований.

Одной из характерных особенностей неправильного возведения фундаментов является то, что его отрицательное действие проявляется после накопления грунтами основания достаточных деформаций, т. е., как правило, в период эксплуатации сооружения. Известны случаи, когда уже построенные н заселенные здания из-за развития чрезмерных деформаций приходилось срочно расселять, подвергать сложным ремонтно-восстановительным работам, а нередко и полностью или частично разбирать, Таким образом, ошибки, допущенные при проектировании в возведении фундаментов, или стремление к неоправданной экономии связанных с этим работ могут потребовать проведения дополнительных мероприятий, во много раз превышающих стоимость фундаментов. С другой стороны, как уже отмечалось, стоимость фундаментов составляет в среднем 12% от стоимости строительства, а в сложных инженерно-геологических условиях может достигать 20.. .30% и более. Поэтому необоснованное принятие чрезмерно сложных для конкретных условии решений фундаментов и производства работ по их возведению приведет к неоправданному удорожанию строительства.

Важно отметить, что технология работ по подготовке оснований и устройству фундаментов и подземных частей зданий во многом отличается от работ по возведению подземных сооружений. В зависимости от типа сооружения, рельефа местности, инженерно-геологических и гидрогеологических условий строительной площадки, климатических и метеорологических условий района строительства, даже времен года, когда выполняются эти работы, технология производства строительных работ может значительно изменяться. Правильный выбор технологии подготовки основании и устройства фундаментов имеет очень большое значение для надежного и экономичного строительства сооружений.

Общие требования к проектированию оснований н фундаментов. Проектирование оснований и фундаментов выполняется в соответствии с действующими нормативными документами. При этом необходимо:

- обеспечение прочности и эксплуатационных требований зданий и сооружений (общие и неравномерные деформации не должны превышать допустимых величин);

- максимальное использование прочностных и деформационных свойств грунтов основания, а также прочности материала фундамента;

= достижение минимальной стоимости, материалоемкости и трудоемкости, сокращение сроков строительства.

Соблюдение этих положений основывается на выполнении указанных ниже требований:

а)комплексном учете при выборе типа оснований и фундаментов инженерно-геологических и гидрогеологических условий строитель-вой площадки; конструктивных и технологических особенностей сооружения и его чувствительности к неравномерным осадкам; методов выполнения работ по подготовке оснований, устройству фундаментов и подземной части сооружений;

б) расчете и проектировании оснований и фундаментов с учетом совместной работы системы «основание -- фундаменты -- конструкции сооружения». Таким образом, проектирование оснований и фундаментов должно включать в себя обоснованный расчетом выбор типа основания (естественное или искусственное); типа, конструкции, материала и размеров фундаментов (глубина заложения, размеры площади подошвы и т. д.), а также мероприятий, применяемых при необходимости уменьшения влияния деформаций основания на эксплуатационную пригодность и долговечность сооружения.

Расчет осадок свайного фундамента

Расчет фундамента из висячих свай и его основания по деформациям следует, как правило, производить как для условного фундамента на естественном основании в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83. Границы условного фундамента (см. чертеж) определяются следующим образом:

снизу -- плоскостью АБ, проходящей через нижние концы свай:

с боков -- вертикальными плоскостями АВ и БГ, отстоящими от наружных граней крайних рядов вертикальных свай на расстоянии htg(II,mt/4) (см. чертеж, а), но не более 2d в случаях, когда под нижними концами свай залегают пылевато-глинистые грунты с показателем текучести IL > 0,6 (d--диаметр или сторона поперечного сечения сваи), а при наличии наклонных свай -- проходящими через нижние концы этих свай (см. чертеж, б),

сверху -- поверхностью планировки грунта ВГ, здесь II,mt -- осредненное расчетное значение угла внутреннего трения грунта, определяемое по формуле

II,mt =

где II,i -- расчетные значения углов внутреннего трения для отдельных пройденных сваями слоев грунта толщиной hi;

h -- глубина погружения свай в грунт.

В собственный вес условного фундамента при определении его осадки включаются вес свай и ростверка, а также вес грунта в объеме условного фундамента. Полученные по расчету значения деформаций (осадок) свайного фундамента и его основания не должны превышать предельных значений. Если при строительстве предусматриваются планировка территории подсыпкой (намывом) высотой более 2 м и другая постоянная (долговременная) загрузка территории, эквивалентная подсыпке, а в пределах глубины погружения свай залегают слои торфа или ила толщиной более 30 см, то значение осадки свайного фундамента из висячих свай следует определять с учетом уменьшения габаритов условного фундамента, который в этом случае как при вертикальных, так и при наклонных сваях принимается ограниченным с боков вертикальными плоскостями, отстоящими от наружных граней крайних рядов вертикальных свай на расстоянии hmttg(II,mt/4), где hmt -- расстояние от нижнего конца сваи до подошвы слоя торфа или ила толщиной более 30 см. Свайные фундаменты из свай, работающих как сваи-стойки, висячие одиночные сваи, воспринимающие вне кустов выдергивающие нагрузки, а также свайные кусты, работающие на действие выдергивающих нагрузок, рассчитывать по деформациям не требуется.

Классификация сооружений по жесткости. Влияние жесткости сооружений на величины осадок фундаментов

Здания, сооружения и их отдельные элементы в зависимости от чувствительности к деформациям основания условно разделяют на три типа: гибкие, абсолютно жесткие и конечной жесткости.

Гибкие сооружения, передавая нагрузку на основание, беспрепятственно следуют за осадкой так, что дополнительные усилия в их конструкциях практически не возникают. Идеальным примером подобного сооружения является земляная насыпь. Будучи возведена даже на слабых грунтах, она способна неравномерно деформироваться вместе с ними без опасности разрушения. Для сохранения проектных отметок ей придают строительный подъем на величину ожидаемых осадок или досыпают по мере деформирования. К тому же типу сооружений относятся днища металлических резервуаров, эстакады и галереи с разрезными пролетными строениями и т. д.

Абсолютно жесткие сооружения, напротив, при деформациях основания не изгибаются, а дают осадку как единый массив, причем поверхность основания в границах подошвы сооружения остается плоской. К ним относятся дымовые трубы, массивные мостовые опоры, доменные печи и другие подобные сооружения, как правило, компактные в плане, установленные на массивном фундаменте. При действии моментной нагрузки или в случае неравномерно деформирующихся оснований кроме осадки может возникать крен сооружения. контактные напряжения по подошве фундамента абсолютно жесткого сооружения существенно неоднородны. Однако для массивных фундаментов, имеющих большой запас прочности на изгиб, они обычно не опасны.

Подавляющее большинство зданий и сооружений обладают конечной жесткостью (рамные и неразрезные железобетонные конструкции, кирпичные, блочные и панельные дома и т. п.). Здесь уже неравномерные осадки основания сопровождаются искривлением сооружения, хотя жесткость сооружения до некоторой степени уменьшает неравномерность осадок. В результате в несущих конструкциях возникают дополнительные усилия, которые при неправильном проектировании могут привести к появлению трещин и даже разрушению элементов конструкций.

Методы уплотнения грунтов

Методы уплотнения грунтов подразделяются на поверхностные, когда уплотняющие воздействия прикладываются на поверхности и приводят к уплотнению сравнительно небольшой толщи грунтов, и глубинные при передаче уплотняющих воздействий на значительные по глубине участки грунтового массива.

Поверхностное уплотнение производится укаткой, трамбованием, вибрационными механизмами, подводными взрывами, методом вьгграмбовывання котлованов. К методам глубинного уплотнения относятся устройство песчаных, грунтовых и известковых свай, глубинное виброуплотнение, уплотнение статической пригрузкой в сочетании с устройством вертикального дренажа, водопонижение. При любом режиме уплотнения повышение степени плотности грунта происходит только до определенного предела, зависящего от вида в физического состояния грунта, а также от характера уплотняющего воздействия. Уплотнение до указанного предела называется уплотнением до отказа.

Поверхностное уплотнение пылевато-глинистых грунтов может применяться при коэффициенте водонасыщенности Sr<0,7, песчаных и крупнообломочных -- при любой степени влажности. За уплотненную зону hcom принимают толщу грунта, в пределах которой плотность скелета грунта не ниже заданного в проекте или ее минимального значения.

Уплотнение укаткой. Вследствие этого, что укаткой удается уплотнить грунты только на небольшую глубину, этот метод в основном при послойном возведении грунтовых подушек, планировочных насыпей, земляных сооружений, при подсыпке оснований полы. Уплотнение укаткой производится самоходными и цепными катками на пневматическом ходу, гружеными скреперами, машинами, тракторами, основные технические характеристики. Уплотнение достигается многократной проходкой уплотняющих механизмов (от 6 до 12 раз).

Влажность грунтов при уплотнении должна соответствовать оптимальной.

Уточнение оптимальной толщины уплотняемого слоя грунта и числа проходов используемых механизмов должно производиться, на основании опытных работ. Для уплотнения несвязных и малосвязных грунтов при содержании глинистых частиц не более 5. .8% используются виброкатки, и самопередвигающнеся вибромашины.

Уплотнение трамбующими машинами. Этот способ используется, как правило, при укладке грунтов в стесненных условиях -- при возведении обратных засыпок котлованов, траншей, засыпке пазух, щелей. Трамбующие машины ударного действия эффективны при уплотнении всех видов грунтов (пылевато-глинистых при 0,5<0,7), а машины, основанные на вибрационном и виброударном воздействиях,-- только для песчаных грунтов.

При достаточно большом фронте работ чаще используются самоходные трамбующие машины и виброкатки, при ограниченном фронте работ -- самопередвнгающиеся виброплиты и механические трамбовки. Перед началом производства работ выполняется опытное уплотнение, Пункты проверки качества уплотнения принимаются из расчета один пункт на кажль;е 100...300 м2 уплотняемой площади.

Уплотнение тяжелыми трамбовками. Метод предложен н нашей стране в 1954 г. Ю. М Абелевым, Уплотнение производится свободным сбрасыванием с помощью крана-экскаватора с высоты 5...10 м трамбовок диаметрам 1...3.5 м и весом 25...150 кН. Трамбовка изготовляется из железобетона и имеет в плане форму круга или многоугольника с числом сторон не менее восьми. Поддон и боковые ее стенки, являющиеся одновременно опалубкой при бетонировании, сворачиваются из листовой стали толщиной 8...16 мм.

Уплотнение тяжелыми трамбовками производится таким числом ударов по одному следу, при котором наблюдается отказ, т. одна и та же величина осадки при одном ударе. Ориентировочно величина отказа принимается равной для пылевато-глинистых грунтах - 1...2 см, для песчаных -- 0,5...1,0 см. Главным же критерием качества уплотнения является достижение грунтом заданной плотности сложения и соответствующих ей характеристик прочности деформируемости грунта.

Уплотнение подводными взрывами. Метод применяется в просадочных лессовых грунтах, рыхлых песчаных и пылевато-глинистых грунтах. Наибольший эффект уплотнения достигается при степени влажности грунтов 5", = 0,7...0,8. При меньшей степени влажности грунтов производится их предварительное замачивание. Суть метода заключается в использовании энергии взрыва, производимого в водной среде, для разрушения структуры и уплотнения грунтов. Водная среда, с одной стороны, обеспечивает более равномерное распределение уплотняющего взрывного воздействия по поверхности грунта, с другой -- гасит энергию взрыва, направленную вверх. Уплотнение производится в котлованах. Глубина котлована назначается таким образом, чтобы высота столба воды составляла не менее 1,3... 1,5 м. При меньшей проектной глубине котлована выполняется его обвалование. После заполнения котлована водой размещаются заряды ВВ по сетке 0,8.-1,2 м на глубине от поверхности воды не менее 1 м и на расстоянии от уплотняемой поверхности грунта 0,3...0,4 м. После одновременного взрыва зарядов происходит уплотнение грунта с понижением поверхности на 0,3...0,8 м. Глубина уплотнения составляет 1...4 м в зависимости от грунтовых условий и величины зарядов. Качество уплотнения проверяется по величине осадки поверхности, а также контролем плотности скелета уплотненного грунта.

Вытрамбовывание котлованов. Метод заключается в образовании в грунтовом массиве полости путем сбрасывания в одно и то же место трамбовки, имеющей форму будущего фундамента. Затем полость заполняется бетонной смесью, после твердения которой образуется фундаментная конструкция. Метод эффективен тем, что при вытрамбовывании полости грунт вокруг нее уплотняется, за счет чего увеличивается несущая способность основания и снижается деформируемость, а сооружение монолитной фундаментной конструкции не требует применения опалубки. Вытрамбовывание котлованов выполняют путем сбрасывания трамбовки весом 15...100 кН по направляющей мачте с высоты 3...8 м в одно место. Для вытрамбовывания котлованов без уширения на глубину 2 м обычно требуется 10...16 ударов, а для вытрамбования дно жесткого материала -- около 15...20 ударов. При производстве работ используют краны-экскаваторы Э-1011 или Э-1252 с навесным оборудованием. Трамбовку изготовляют из листовой стали толщиной 8...12 мм в форме будущего фундамента и заполняют бетоном до заданной массы.В плане трамбовка имеет форм, квадрата, прямоугольника или круга. Ее высота составляет 1...3.5 м.. Масса и высота сбрасывания трамбовки назначаются такими, что бы погружение трамбовки "а один удар не превышало 0,15 глубины котлована.

Песчаные сваи. Применяли для уплотнения сильносжимаемых пылевато-глинистых грунтов, рыхлых песков, заторфованных грунтов на глубину до 18...20 м. Песчаные сваи изготовляют следующим образом. В грунт с помощью вибратора или свайного молота погружается пустотелая; металлическая труба диаметром 300...400 мы с инвентарным самораскрывающимся наконечником. В верхней части трубы имеется отверстие, иногда оборудованное воронкой, для засыпки песка в трубу без снятия вибратора или молота. Посла погружения трубы в неё засыпается песок на высоту 3...4 м. После этого включается вибратор и трубу начинают поднимать. При этом наконечник раскрывается, труба поднимается на высоту 2...3м скважине остается столб песка . Трубу следует поднимать так, чтобы после подъема в ней оставался слой песка толщиной не менее 1 м. Указанные операции повторяются до полкою извлечения трубы, после чего в основании остается столб уплотнённого песчаного грунта (песчаная свая). Вокруг песчаной сваи грунт также находится в уплотненном состоянии. Сваи размещаются обычно в шахматном порядке.

Крупные или средней крупности пески, используемые в качестве материала песчаных свай, как правило, имеют модуль деформации порядка 10. ..15 МПа, что незначительно отличается от модуля деформации окружающее сваю уплотненного грунта. Поэтому фундамент, расположенный на основании, уплотненном песчаными сваями, следует рассчитывать как фундамент на естественном основании с учетом физико-механических характеристик уплотнённого грунта.

Грунтовые сваи. Глубинное уплотнение грунтовыми сваями применяется для улучшения строительных свойств просадочных макропористых и насыпных пылевато-глинистых грунтов при влажности 0,5-0,3 на глубину до 20 м. Суть метода заключается в устройстве вертикальной полости в основании, которая затем засыпается местным грунтом с послойным уплотнением. В результате этого образуется массив уплотненного грунта, характеризующийся повышенной прочностью и более низкой сжимаемостью. Устройство грунтовых свай в просадочных грунтах позволяет устранить просадочвые свойства.

Уплотнение основании грунтовыми сваями производится двумя методами, отличающимися по способу устройства полости. В первом методе уплотняемом массиве пробивают ударным снарядом скважины, используя станки ударно-канатного бурения или навесное оборудование к крану-экскаватору. Диаметр скважины в зависимости от применяемого оборудования составляет от 0,4 до 1,0 м при диаметре зоны уплотнения 1,4...3,6 м.

Второй метод основан на использовании для глубинного уплотнения грунтов энергии взрыва. Заряды ВВ массой 5...12 кг размещаются гирляндой в интервале глубин 3...12 м в пробуренных или пробитых скважинах-шпурах диаметром 60...80 мм, располагаемых I на расстоянии 4...10 м одна от другой (рис. 12.12). После взрыва заряда образуется вертикальная полость диаметром 500...600 мм. Засыпка скважин выполняется местным лессовым или пылевато-глинистым грунтом при влажности, близкой к оптимальной. При заполнении скважин контролируются объем засыпаемого грунта, влажность в однородность состава. После завершения работ определяется плотность скелета уплотненного грунта и его влажность. гарантии высокого качества работ и подбора оптимального режима уплотнения проводят уплотнение грунтов на опытной площадке в предпостроечный период.

Известковые сваи. Применяют для глубинного уплотнения водонасыщенных заторфованных и пылевато-глинистых грунтов. В толще грунтов пробуривают скважины диаметром 320...500 мм. Если грунт не сохраняет вертикальные стенки скважин, то используют ту же технологию, что и при устройстве песчаных свай,-- при помощи инвентарной обсадной трубы самораскрывающимся наконечником. Скважины заполняют негашеной комовой известью. Уплотнение грунтов при применении известковых свай происходит в результате действия следующих факторов. Первоначально слабые водонасыщенные грунты уплотняют в процессе погружения инвентарной трубы с закрытым концом. Когда в скважину засыпается негашеная известь и уплотняется трамбованием, происходит некоторое (до 20%) увеличение диаметра сваи. Негашеная комовая известь при взаимодействии с поровой водой гасится и в процессе гашения увеличивается в объеме. В некоторых случаях при гашении диаметр известковой сваи увеличивается еще на 60...80%. Этим создается дополнительное уплотнение окружающего сваю грунта. При гашении извести происходит большое выделение тепла и температура тела сваи достигает 300° С. Под действием высокой температуры происходит частичное испарение поровой воды, в результате чего уменьшается влажность грунта и ускоряется уплотнение.

Глубинное виброуплотнение. Применяют в рыхлых песчаных грунтах естественного залегания, а также при укладке несвязных грунтов в насыпи, устройстве обратных засыпок.

При вибрации сыпучие грунты, у которых отсутствует сцепление между частицами, приходят в движение и под действием инерционных сил вибрации и сил тяжести происходит смещение частиц. В результате рыхлые пески или другие сыпучие материалы, например шлаки, уплотняются. Эффективность уплотнения повышается при подаче в зону уплотнения воды. Поэтому, если песок находится в ненасыщенном водой состоянии, к месту виброуплотнения подают воду. Такой метод часто называют гидровиброуплотнением. При помощи виброуплотнения плотность скелета песчаного грунта может быть доведена до 1,7...1,8 г/см3. Существует два основных способа виброуплотнения. В первом способе уплотнение происходит при погружении в песок вибратора (вибробулавы). Этим способом уплотняются толщи рыхлых песков мощностью до 8...10 м. Второй способ заключается в погружении в грунт стержня с прикрепленным к его голове вибратором. До начала работ по виброуплотнению песчаных оснований проводят опытные работы, по результатам которых устанавливают оптимальный режим уплотнения, число повторных погружений, время, необходимое для достижения проектной плотности сложения песчаного грунта. Качество уплотнения контролируют статическим зондированием, а также путем отбора образцов уплотненного грунта.

Предварительное уплотнена оснований статической нагрузкой применяют для улучшения строительных свойств слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов и торфов ори их распространении на значительную глубину. Статическая нагрузка создается отсыпкой на уплотняемой площади насыпи из местных материалов.

Давление по подошве насыпи должно быть не менее давления, передаваемого на основание проектируемым сооружением. Поскольку высота временных насыпей ограничена, так как для их возведения необходимо транспортирование огромного количества материала, этот метод применяется в основном для уплотнения оснований сооружений, передающих относительно небольшие давления на основание,-- малоэтажных зданий, аэродромных и дорожных покрытий, резервуаров и т, п. Контроль процесса уплотнения ведется путем наблюдения за осадками уплотняемого массива. После стабилизации осадок насыпь удаляется в площадка готова для проведения планировочных и строительных работ.

Уплотнение грунта водопонижением. Метод эффективен при уплотнении оснований, сложенных мелкими и пылеватыми песками. При коэффициенте фильтрации песков от 0,05 до 0,002 см/с для водопонижения используют иглофильтровальные установки. При содержании в пылеватых песках большого количества глинистых частиц и коэффициенте фильтрации менее 0,002 см/с применяют эжекторные иглофильтры. Понижение уровня подземных вод приводит к тому, что в пределах зоны водопонижения снимается взвешивающее действие воды на скелет грунта. В единице объема грунта возникает дополнительная массовая сила, равная разнице между удельным весом влажного чуйте и удельным весом скелета грунта, взвешенного в воде, т. е., которая и вызывает уплотнение грунтового массива.

Расчет размеров подошвы фундаментов методом последовательных приближений

Определение формы и размеров подошвы фундаментов. Форма подошвы фундамента во многом определяется конфигурацией в плане возводимой надземной конструкции. Она может быть круглой, кольцевой, многоугольной (под дымовые трубы, водонапорные и силосные башни), квадратной, прямоугольной, ленточной (под колонны, столбы, стены), тавровой, крестообразной (полстены с пилястрами, отдельные опоры), а в стесненных условиях и более сложного очертания. В сборных фундаментах ее определяет и форма составных элементов и блоков. При расчетах фундаментов мелкого заложения по второму предельному состоянию (по деформациям) площадь подошвы предварительно может быть определена из условия - pii<R.

где р11- среднее давление по подошве фундамента от основного сочетания расчетных нагрузок при расчете по деформациям; R-- расчетное сопротивление грунта основания, определяемое по формуле

Выполнение условия осложняется тем, что обе части неравенства содержат искомые геометрические размеры фундамента. В результате расчет приходится вести методом последовательных приближений, хотя для некоторых расчетных случаев предложены различные приемы, графики и таблицы, упрощающие эти расчеты.

Центрально нагруженный фундамент. Центрально нагруженным считают фундамент, у которого равнодействующая внешних нагрузок проходит через центр площади его полошвы. Реактивное давление грунта по подошве жесткого центрально нарушенного фундамента принимается равномерно распределенным интенсивностью

pii=(N011+Gf11+Gg11)/A

где N011 - расчетная вертикальная нагрузка на уровне обреза фундамента;

Gf11 и Gg11 - расчетные значения веса фундамента и грунта на его уступах. А -- площадь подошвы фундамента.

В предварительных расчетах вес грунта и фундамента в объеме параллелепипеда АВСD, в основании которого лежит неизвестная площадь подошвы А, определяется приближенно из выражения -

Gf11+Gg11=гmAd,

где

гm - среднее значение удельного веса фундамента и грунта на его уступах, принимаемое обычно равным 20 кН/м3;

d -- глубина заложения фундамента, м.

Приняв ри =R и учтя Gf11+Gg11=гmAd, из уравнения pii=(N011+Gf11+Gg11)/A получим формулу для определения необходимой площади подошвы фундамента

A=N0/(R-гmd).

Рассчитав площадь подошвы фундамента, находят его ширину b. Ширину ленточного фундамента, для которого нагрузки определяют на 1 м длины, находят как b=А/1м, для фундаментов с прямоугольной подошвой задаются отношением сторон n=l/b, тогда ширина поскольку значение R в формуле также неизвестно, искомую величину находят из совместного решения уравнений аналитическим или графическим методом. При решении графическим методом формулу pii=(N011+Gf11+Gg11)/A записывают в виде зависимости, которая в общем случае является гиперболой, а формула

является уравнением прямой R=f(b).

Если построить графики по этим формулам, то пересечение полученной кривой и прямой даст искомое значение b, соответствующее расчетному давлению. После вычисления значения b принимают размеры фундамента с учетом модульности и унификации конструкций и проверяют давление по его подошве по формуле - pii=(N011+Gf11+Gg11)/A . Найденная величина р11 должна не только удовлетворить условию - pii<R но и быть по возможности ближе к R.

Методы закрепления грунтов

Закрепление грунтов заключается в искусственном преобразовании строительных свойств грунтов в условиях их естественного залегания разнообразными физико-химическими методами. В процессе закрепления между частицами грунта возникают прочные структурные связи за счет инъецирования в грунт и последующего твердения определенных реагентов. Это обеспечивает увеличение прочности грунтов, снижение их сжимаемости, уменьшение водопроницаемости и чувствительности к изменению внешней среды, особенно влажности. Важным условием применимости инъекционных методов закрепления является достаточно высокая проницаемость грунтов. Методы инъекционного закрепления грунтов, не сопровождаемые механическими, в особенности динамическими воздействиями, в основном применяют для усиления оснований сооружений, зашиты существующих зданий и сооружений при строительстве новых, в том числе подземных, сооружений, создания противофильтрационных завес. Вследствие их высокой стоимости целесообразность применения методов закрепления грунтов на вновь осваиваемых строительных площадках должна обосновываться технико-экономическим расчетом.

Цементация грунтов. Этот метод применяют для упрочнения насыпных грунтов, галечниковых отложений, средних и крупнозернистых песков при коэффициенте фильтрации упрочняемых грунтов более 80 м/сут. Цементацию используют также для заполнения карстовых пустот, закрепления и уменьшения водопроницаемости трещиноватых скальных грунтов. Цементационный раствор обычно состоит из цемента и воды при водоцементном отношении 0,4...1,0. Для цементации грунтов применяют забивные инъекторы или инъекторы-тампоны, опускаемые в пробуренные скважины. Инъекторы представляют собой трубу диаметром 25-100 мм, снабженную перфорированным звеном длиной 0.5-1,5 м. После погружения инъектора в грунт или скважину в трубу под давлением подается чистая вода и скважина промывается. Затем через трубу нагнетается цементный раствор, который, проникая в грунт, цементирует его.

Радиус закрепления грунта, давление нагнетания, расход цементного раствора и прочность зацементированных грунтов устанавливают в процессе опытных работ.

Метод цементации применяют также для усиления конструкции-самих фундаментов. Для этого в теле фундаментов пробуриваются шпуры, через которые в материал или кладку фундамента под высоким давлением нагнетается цементный раствор.

Силикатизации грунтов. Применяют для химического закрепления песков с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 80 м/сут, макропористых просадочних грунтов с коэффициентом фильтрации от 0.2 до 2,0 м.сут н отдельных видов насыпных грунтов. Сущность метода заключается в том, что в грунты нагнетается силикат натрия в виде раствора (жидкое стекло), которым заполняется поровое пространство и при наличии отвердителя образуется гель, твердеющий с течением времени. При закреплении мелких песков и плывунов, имеющих коэффициент фильтрации в пределах 0,5...1,0 м/сут, в грунт нагнетается подготовленный заранее гелеобразующий раствор, представляющий собой смесь растворов крепителя и отвердителя. Варьируя состав отвердителя, можно регулировать в широких пределах (от 20...30 мин до 10...16 ч) время гелеобразования. Для обеспечения необходимого радиуса закрепления в малопроницаемых грунтах применяются рецептуры с большим временем гелеобразовання.

Силикатизация эффективна для закрепления макропористых лессовых грунтов вследствие их высокой проницаемости. Особенностью силикатизации лессов является то, что и состав этих грунтов ходят соли, выполняющие роль отвердителя жидкого стекла. Потому силикатизация лессов проводится классическим однорастворным методом, осуществляемым инъекцией в толщу лессовых грунтов раствора силиката натрия. Процесс закрепления происходит мгновенно, прочность растет очень быстро и может достигать для закрепленного массива 2 МПа и более. Закрепление водоустойчиво, что обеспечивает ликвидацию цросадочпых свойств.

Смолизация. Метод закрепления грунтов смолами получил название смолизации. Сущность его заключается во введении в грунт высокомолекулярных органических соединений типа карбамидных, фенолформальдегидньм и других синтетических смол в смеси с отвердителями -- кислотами, кислыми солями. Через определенное время в результате взаимодействия с отвердителями смола полимеризуется. Обычное время гелеобразования 1,5...2,5 ч при времени упрочнения до 2 сут. Метод смолизации рекомендуется для закрепления сухих и водонасыщенных песков с коэффициентом фильтрации ОД..25 м/сут. Прочность на одноосное сжатие закрепленного карбамидной смолой песка колеблется в пределах 1...5 МПа и зависит в основном от концентрации смолы в растворе.

Организация работ по закреплению грунтов смолами аналогична организации работ по силикатизации. Радиус закрепленной области основания составляет 0,3...1,0 м в зависимости от коэффициента фильтрации песка. Метод относится к числу дорогостоящих. Закрепление карбамидными смолами успешно применялось при строительстве Новолипецкого завода, Харьковского метрополитена.

Глинизация и битумизация. Глинизацию применяют для уменьшения водопроницаемости песков. Технология глинизации начинается в нагнетании через ивъекторы, погруженные в песчаный грунт, водной суспензии бентонитовой глины с содержанием монтмориллонита не менее 60%. Глинистые частицы, выпадая в осадок, заполняют поры песка, в результате чего его водопроницаемость увеличивается на несколько порядков. Битумизацию применяют в основном для уменьшения водопроницаемости трещиноватых скальных пород. Метод сводится к нагнетанию через скважины в трещиноватый массив расплавленного битума или специальных битумных эмульсий. При этом происходит заполнение трещин и пустот, и массив становится практически водонепроницаемым.

Электрохимическое закрепление грунтов. Метод применяют для закрепления водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов в сочетании с электроосмосом. В этом методе через аноды в грунт подают растворы солей многовалентных металлов, которые, соединяясь с глинистым грунтом, коагулируют глинистые частицы. Создаются глинистые агрегаты, сцементированные между собой гелями солей железа и алюминия. При этом прочность грунтов существенно возрастает, резко снижается их способность к набуханию. Напряжение тока при электрохимическом закреплении составляет 80-100В плотность тока 5..7 А/м2, расход энергии 60...100 кВт 'ч на 1куб.м закрепляемого грунта.

Термическое закрепление грунтов. Применяют для упрочнения маловлажных пылевато-глинистых грунтов, обладающих газопроницаемостыо. Наиболее часто этот метод используется для устранения просадочных свойств макропористых лессовых грунтов. Глубина закрепляемой толщи достигает 20м. Сущность метода термической обработки заключается в том, что через грунт в течение нескольких суток пропускают раскаленный воздух или раскаленные газы. Под действием высокой температуры отдельные минералы, входящие в состав скелета, уплотняются. В результате этого образуются прочные водостойкие структурные связи между частицами и агрегатами грунта. Кроме того, при обжиге грунты теряют значительную часть химически связанной воды, что изменяет свойства грунтов и уменьшает или полностью ликвидирует просадочность, размокаемость, способность к набуханию. Температура газов, которыми производится обработка грунта, не должна превышать 750..850° С. Если температура газов окажется выше, стенки скважин оплавляются и становятся газонепроницаемыми. При температурах ниже 300° С ликвидация просадочности лессов не происходит.

Существуют различные способы, оборудование и технологические схемы термического закрепления. Одна из технологий заключается в следующем. Пробуривают скважины диаметром 100...200 мм, которые закрывают специальными керамическими затворами. В затворе оборудуется камера сгорания, к которой подают топливо (горючие газы, соляровое масло, нефть н т. п.) и воздух под давлением. Для обеспечения заданной температуры обжига необходимо, чтобы количество воздуха, нагнетаемого в скважину, было не меньше установленной величины. Для поддержания температуры 750...850° С расход воздуха на 1 кг горючего составляет 34...39 м . При указанном количестве воздуха и средней газопроницаемости грунта порядка 25 м3/ч количество сгораемого горючего на 1 м длины скважины не должно превышать 0,5 кг/ч. Термическая обработка производится непрерывно в течение 5...12 сут. После обработки скважины аппаратуру затворов снимают и переставляют на скважины следующего участка.

Расчет размеров внецентренно нагруженных фундаментов

Внецентренно нагруженным считают фундамент, у которого равнодействующая внешних нагрузок не проходит через центр тяжести площади его подошвы. Такое нагружение фундамента является следствием передачи на него момента или горизонтальной составляющей нагрузки либо результатом одностороннего давления грунта на его боковую поверхность, как, например, у фундамента под наружную стену заглубленного помещения.

При расчете давление по подошве внецентреного нагруженного фундамента принимают изменяющимся по линейному закону, а его краевые значения ори действии момента сил относительно одной из главных осей определяют по формуле (5.7), как для случая внецент-ренного сжатия. Подстановкой значений А=lb,W=bh2/6 и М=Nе формула приводится к следующему более удобному для расчета виду:

где N -- суммарная вертикальная нагрузка на основание, включая вес фундамента и грунта на его уступах;

А -- площадь подошвы фундамента;

е -- эксцентриситет равнодействующей относительно центра тяжести подошвы;

b- размер подошвы фундамента в плоскости действия момента.

Как правило, размеры подошвы фундамента стараются подобрать таким образом, чтобы эпюра была однозначной, т. е. чтобы не было отрыва подошвы фундамента от основания. В противном случае в зазор между подошвой и грунтом может проникнуть вода, что нежелательно, поскольку это может привести к ухудшению свойств грунтов основания. Исключение допускается для фундаментов в стесненных условиях, когда отсутствует возможность развить их в нужном направлении, и для фундаментов, нагруженных знакопеременными моментами, когда нельзя подобрать размеры и форму подошвы, по которой действовали бы только сжимающие напряжения. Поскольку при внецентренном нагруженни относительно одной из центральных осей максимальное давление действует только под краем фундамента, при подборе размеров подошвы фундамента его допускается принимать на 20% больше расчетного сопротивления грунта, т. е. pmax<1.2R. Одновременно среднее давление по подошве фундамента, определяемое как р =N/A, должно удовлетворять условию (10.3).

В тех случаях, когда точка приложения равнодействующей внешних сил смещена относительно обеих осей инерции прямоугольной подошвы фундамента, как это показано на рис. 10.14, давление под ее угловыми точками находят по формуле -

Поскольку в этом случае максимальное давление действует только в одной точке подошвы фундамента, допускается, чтобы его значение, удовлетворяло условию pmax<1,5R

На практике задачу подбора размеров подошвы внецентренно нагруженного фундамента решают следующим образом. Сначала принимают, что действующая нагрузка приложена центрально, подбирают соответствующие размеры подошвы, а затем уточняют их расчетом на внецентренную нагрузку, соблюдая изложенные выше требования .При этом иногда смещают подошву фундамента в сторону эксцентриситета так, чтобы точка приложения равнодействующей всех сил совпадала с центром тяжести подошвы фундамента .

Расчет осадок фундаментов мелкого заложения (основные методы)

Метод послойного суммирования. В наиболее простой постановке осадка находится только от одних вертикальных напряжений, действующих в основании по оси, проходящей через середину фундамента. После определения размеров подошвы фундамента и проверки условия (10.3) ось фундамента совмещают с литологической колонкой грунта и строят эпюру природного давления уzg. Эпюра строится по оси фундамента начиная от поверхности природного рельефа. Затем, зная природное давление на уровне подошвы фундамента уzg0, определяют дополнительное вертикальное давление (сверх природного) на грунт р0, которое иногда называют осадочным давлением, подразумевая, что существенная осадка грунта произойдет только от действия дополнительного давления: p0=pii- уzg0 .

где рп -- полное давление по подошве фундамента, определенное по формуле.

Установив величину р0, строят эпюру дополнительных вертикальных напряжений в грунте уzp. Эпюру строят по точкам, для чего толщу грунта ниже подошвы фундамента делят на элементарные слои. Напряжение на границе каждого слоя определяют по формуле (5.16);

где б -- коэффициент, определяемый по табл. 5.2 в зависимости от соотношений п =l /b (/ -- длина, b -- ширина подошвы фундамента) и т = 2z/b (г -- расстояние от подошвы фундамента до точки на оси г, в которой определяется напряжение уzp. По нормам толщина элементарных слоев не должна превышать 0,4 ширины или диаметра подошвы фундамента, что, с одной стороны, повышает точность построения эпюры уzp, а с другой позволяет рассматривать эпюру распределения напряжений в пределах каждого слоя как прямоугольную и производить расчет его осадки по формуле одноосного сжатия .Ограничив сжимаемую толщу глубиной, ниже которой сжатием грунта можно пренебречь (глубина, где дополнительное давление составляет 0,2 природного давления или 0,1 в случае слабых грунтов), полную осадку основания определяют по формуле (7.13) как сумму осадок элементарных слоев в пределах сжимаемой толщи. Осадку прерывистогс фундамента, учитывая распределительную способность грунта, определяют как осадку условного сплошного ленточного фундамента (без вычета площади пустот), ширина которого равна ширине укладываемой плиты.

Расчет заканчивают проверкой выполнения условия (7.2) или (9.4).

Метод эквивалентного слоя. В этом методе пространственная задача расчета осадок сводится к эквивалентной одномерной, осадка определяется с учетом жесткости и формы подошвы фундамента и трех составляющих нормальных напряжений (уz, ух, уy) в предположении, что основание является линейно деформируемым телом. Максимальную и среднюю осадки гибкого и осадку жесткого фундамента определяют по формуле: s=pohэmv

Мощность эквивалентного слоя входящую в формуле -

hэ=Aщb

где Aщ -- коэффициент эквивалентного слоя, определяемый по 'табл. 7.2 в зависимости от коэффициента Пуассона для разных ; грунтов, жесткости и соотношения сторон загруженной площади n= l/b; b --ширина фундамента, м. Осадку слоистого основания методом эквивалентного слоя вычисляют приближенно, вводя в расчет средневзвешенное значение относительного коэффициента сжимаемости грунта т, в пределах сжимаемой толщи

Осадку фундамента методом эквивалентного слоя на слоистом основании рассчитывают по формуле (7.23). Метод эквивалентного слоя существенно упрощает расчет осадок фундаментов. Практика показала, что наиболее целесообразно его применять в расчетах фундаментов площадью до 20...30 м2 при однородных или слоистых напластованиях, в которых сжимаемость отдельных слоев мало отличается друг от друга, а также в случае слабых грунтов.

Учет влияния соседних фундаментов. Если в непосредственной близости от рассчитываемого фундамента располагается еще один или несколько фундаментов, то может оказаться, что загружеиие соседних фундаментов приведет к увеличению осадки рассчитываемого фундамента. Задачу учета влияния соседних фундаментов наиболее просто можно решить, если применить метод эквивалентного слоя для угловой точки загруженной площади (см. § 7.3). Последовательность расчета в этом случае аналогична определению напряжений методом угловых точек (см. § 5.3). Для определения осадки какой-либо точки М площадь нагружения разбивается на прямоугольники таким образом, чтобы эта точка для каждого прямоугольника с равномерно распределенной нагрузкой была угловой (см. рис. 5.10). На практике чаще всего рассматривается схема, где точка М лежит вне контура загруженной площади (рис. 5.10, в). Тогда, учитывая действие фиктивной нагрузки, осадка точки s определится по формуле

Обследование фундаментов и порядок проектирования фундаментов при реконструкции

Составлению проекта оснований и фундаментов реконструируемых зданий предшествует обследование их технического состояния и инженерно-геологические изыскания. Как правило, обследование и изыскания выполняют и для зданий, находящихся в зоне влияния реконструируемого.

Целью обследования зданий и инженерно-геологических изысканий является получение необходимых материалов для принятия решений о возможности или целесообразности реконструирования здания, методах усиления или переустройства фундаментов, закрепления грунтов основания и обеспечение нормальной эксплуатации прилегающих зданий.

Обследование здания заключается в детальном изучении технической документации, включающей общие сведения о здании, времени его строительства и сроках эксплуатации, объемно-планировочном и конструктивном решениях, системах инженерного оборудования; выявлении режима и технологических особенностей эксплуатации здания, установлении факторов, отрицательно действующих на основание, фундаменты и конструкции здания; фиксации визуально, а при необходимости и инструментально, дефектов в конструкциях здания (трещины в элементах несущих и ограждающих конструкций, коррозия арматуры, прогибы изгибаемых элементов, смещение плит перекрытий и т. п.).

Расположение, направление и характер трещин, фиксируемых в стенах зданий при обследовании, часто позволяет установить причины возникновения этих дефектов, что важно при назначении мест и объемов детального обследования фундаментов и оснований. Обследование фундаментов и несущего слоя грунтов основания зданий производится из шурфов, число которых определяется состоянием, размером и конфигурацией объекта, грунтовыми условиями и целями обследования. Шурфы закладываются в наиболее загруженной части здания, в каждой секции, в местах промежуточных опор, обязательно на участках развития трещин и в аварийных зонах. Глубина шурфов должна быть на 0,5 м ниже подошвы фундамента. Если на этой глубине будут обнаружены слабые грунты (насыпные, рыхлые пески, заторфованные, слабые водонасыщенные глинистые грунты), они должны быть пройдены на всю глубину бурением.

При обследовании фундаментов в открытых шурфах устанавливается тип и материал фундамента, его форма, размеры в плане и глубина заложения. Одновременно выявляются выполненные ранее подводки и усиления, трещины и другие дефекты кладки, определяется прочность материала фундамента, наличие гидроизоляции, наличие и состояние дренажа. Ширину подошвы фундамента и глубину его заложения определяют натурными обмерами. На наиболее нагруженных участках ширину подошвы устанавливают из двусторонних шурфов или с помощью сверления и замера металлическим метром, а также подкопом и использованием Г-образного металлического щупа (рис. 18.2). На менее нагруженных ширину допускается принимать с учетом того, что фундамент имеет симметричную форму.

У свайных фундаментов замеряется диаметр или размеры поперечного сечения свай, шаг, число свай на 1 м длины. Прочность материала фундаментов устанавливается испытанием проб в лаборатории, механическими или неразрушающими методами. Наряду с обследованием технического состояния фундаментов из шурфов производят отбор образцов грунта ненарушенного сложения для определения их вида и физико-механических характеристик лабораторным путем. Образцы отбирают из-под подошвы фундаментов или из стен турфа и из его дна.

Инженерно-геологические изыскания. Состав, объем и методы изысканий определяются в зависимости от целей реконструкции, типа здания или сооружения и их стоимости, сложности инженерно-геологических условий пятна застройки, изменения состояния и свойств грунтов основания по отношению ко времени строительства реконструируемого здания. Допускается не проводить инженерно-геологические изыскания для зданий, у которых при обследовании не обнаружено видимых деформаций, устройство новых фундаментов не предполагается, а увеличение нагрузок на фундаменты не превышает значений, способных вызвать дополнительные недопустимые деформации, при условии, что здания не находятся в зоне геологического риска.

Задачей инженерно-геологических изысканий в общем случае является: определение (или уточнение) геолого-литологического строения и гидрогеологического режима площадки, агрессивности подземных вод, характеристик физико-механических свойств грунтов, возможности развития неблагоприятных геологических процессов, прогноз изменения гидрогеологической и экологической обстановки в связи с реконструкцией здания.

Инженерно-геологические изыскания при реконструкции включают, как правило, следующие виды работ: бурение скважин с отбором образцов грунта и определением уровня подземных вод; зондирование грунтов; испытания грунтов штампами или прессиометрами (статическими нагрузками); лабораторные исследования физико-механических свойств грунтов и химический анализ воды.

Основным видом работ при инженерно-геологических изысканиях для строительства и реконструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений является бурение скважин. Бурением скважин определяют порядок грунтовых напластований, наличие линз, выклинивание пластов, распределение их в плане, уровень подземных вод с указанием водовмещающих пород и водоупоров и т. д. При бурении скважин отбираются образцы грунтов и подземных вод для их последующего лабораторного изучения.

Число и глубину скважин определяют в зависимости от сложности участка, площади и высоты здания и т. д. При реконструкции рекомендуется принимать следующее количество разведочных скважин:

Количество секций в здании .......... 1...2 3...4 >4

Число скважин ................................. 4 6 8

Указанное число скважин может быть уменьшено при наличии материалов изысканий прежних лет и для участков с простым геологическим строением.

Глубина проходки скважин Н принимается равной

h=d+hax+с, (18.1)

где d -- глубина заложения подошвы фундамента; hax -- глубина активной зоны сжатия основания; с -- постоянная величина, принимаемая равной 2 м для зданий до трех этажей и 3 м -- свыше трех этажей.

Если на глубине А будут обнаружены грунты с модулем деформации менее 10 МПа, они должны быть пройдены на всю толщину.

Порядок проектирования оснований и фундаментов реконструируемых здании. После выполнения указанных выше работ анализируют материалы обследований и изысканий, в соответствии с проектом реконструкции здания определяют действующие и проектируемые нагрузки, оценивается возможность использования существующих и места расположения дополнительных фундаментов, в случае необходимости разрабатывают решения по усилению существующих фундаментов и укреплению грунтов основания.

Принципы расчетов существующих и дополнительно возводимых фундаментов во многом различны. Для существующих фундаментов после сбора нагрузок с учетом реконструкции вычисляют напряжения на контакте стены или колонны с верхним обрезом фундамента и в уровне подошвы фундамента. Затем по обычной схеме проверяют прочность материала фундамента и стен (или колонн) на местное смятие, а также прочность грунта в уровне подошвы фундамента из условий непревышения фактического давления на грунты над расчетным сопротивлением. В зависимости от результатов проверки принимается решение о необходимости усиления конструкции фундаментов, изменения их вида и размеров, закрепления грунтов основания.

При проектировании новых фундаментов глубину их заложения выбирают с учетом заложения существующих. При необходимости учитывается взаимное влияние существующих и новых фундаментов. Размеры фундаментов определяют с учетом действующих нагрузок и свойств оснований. Проводят расчеты существующих и новых фундаментов по предельным состояниям, причем неравномерность деформаций новых и существующих фундаментов, рассчитанных на воздействие дополнительных нагрузок, не должна превышать допустимые СНиПом значения.