Проблемы возведения фундаментов в пучинистых грунтах

Размещено на http://www.allbest.ru/

СГТУ им. Гагарина Ю.А., Саратов, Россия

Проблемы возведения фундаментов в пучинистых грунтах

М.А. Толеков

И.Г. Овчинников

Абстракт

фундамент мост пучинистый грунт

В статье рассмотрена проблема устройства фундаментов мостов и других транспортных сооружений в пучинистых грунтах. Предложены различные известные конструктивные и технологические решения, которые помогут избежать таких неприятных последствий, как аварии сооружений, разрушение конструкций и человеческие потери.

Ключевые слова: мост, опора, фундамент, свая, грунт, дренаж, нефтешламы, водоотвод, пучение грунта.

M.A. Tolekov, I.G. Ovchinnikov

SSTU named after Y.A. Gagarin, Saratov, Russia

Problems of the establishment of the foundation in wadding grounds

Abstract

The article deals with the problem of building the foundations of bridges and other transport structures in heaving soils. Various well-known structural and technological solutions have been proposed that will help avoid such unpleasant consequences as accidents of structures, destruction of structures and human losses.

Key words: bridge, support, foundation, pile, soil, drainage, oil sludge, drainage, ground swelling.

Грунты представляют собой дисперсные образования, поровое пространство которых в природных условиях в той или иной степени заполнено водой. При промерзании грунтов объем их увеличивается ввиду перехода в лед воды, заполняющей поры до начала промерзания и подтянутой к фронту промерзания при миграции.

Сезонное промерзание и оттаивание грунтов имеет место практически на всей территории Российской Федерации, а также во многих странах мира. При этом повреждения зданий и сооружений вследствие действия сил и деформаций морозного пучения достаточно многочисленны [1, с. 29].

Устойчивость и зданий, и сооружений во многом зависит от фундаментов, воспринимающих все временные и постоянные нагрузки. Проектирование фундаментов - сложная инженерная задача, требующая подбора такой конструкции, которая была бы оптимальной с учетом всех имеющихся факторов. Лучший вариант фундамента выбирается из сравнительного анализа нескольких вариантов, которому предшествует расчет каждого типа фундамента, определение несущей способности свай, подсчет объемов работ, подсчет трудо- и материалозатрат.

Современные конструкции фундаментов зданий и сооружений очень разнообразны. Выбор конструкции, в первую очередь, выполняется, исходя из вида грунта, глубины воды и залегания несущего слоя грунта. В пучинистых грунтах (рис. 1) современные технологии также позволяют возводить фундаменты. Рассмотрим этот процесс подробнее.

Рис. 1. Грунт после процесса пучения

Весной в результате такого воздействия опора моста может подвергаться просадке на несколько сантиметров, что заканчивается трещинами и прочими разрушениями, устранить которые будет нелегко. Зимой последствия могут быть масштабнее, а износ опоры моста будет происходить быстрее и с большими повреждениями, так как сила промерзания в этот период выше.

Помимо этого, на такой процесс влияют:

состав грунта;

большое количество свободной воды;

длительность заморозков;

рельеф;

влажность воздуха;

количество осадков;

глубина залегания подземных вод и др.

Существует несколько способов предотвращения последствий пучения грунта и влияния их на несущую способность и конструкцию фундаментов.

Замена грунта

Величина деформации морозного пучения грунта и сила морозного выпучивания фундаментов в основном обусловлены следующими факторами: 1) составом грунта в зоне промерзания с пучинистыми свойствами; 2) состоянием природной влажности и условиями увлажнения грунтов; 3) значениями отрицательной температуры замерзающего грунта. Если же исключить влияние одного из упомянутых трех факторов, то не возникнет деформаций и сил морозного пучения.

Коренные противопучинные мероприятия направлены на исключение одного из трех основных факторов. К числу этих мероприятий относятся полная замена пучинистого грунта непучинистым или насыпным слоем из сухого грунта на толщину промерзающего слоя, осушение грунтов водоотводами и дренажными системами и обогрев грунтов возле фундаментов в зимнее время.

Полностью заменять пучинистый грунт непучинистым на всю толщину промерзания нет необходимости (рис. 2). Экспериментальной проверкой установлено, что при промерзании пучинистого грунта в последней трети глубины промерзания пучения не наблюдается, так как там - близкие к нулю отрицательные температуры и остается большое количество грунтовой влаги в незамерзшем состоянии, к тому же верхние две трети мерзлого грунта противодействуют появлению деформации морозного пучения. Практикуется производить замену пучинистого грунта непучинистым только при засыпке пазух для отапливаемых зданий с наружной его стороны, для неотапливаемых зданий с обеих сторон фундамента. Там, где по условиям планировки требуется подсыпка грунта, применяют подсыпку из непучинистых грунтов без замены пучинистых. Высота подсыпки достаточна на две трети от глубины промерзания грунта. Наиболее эффективным мероприятием против морозного пучения является осушение грунтов в зоне промерзания и недопущение их водонасыщения как в период строительства, так и во время эксплуатации. На коренные мероприятия по осушению грунтов составляются специальные проекты с учетом условий водонасыщения грунтов. В качестве коренного мероприятия в зимний период применяют обогрев грунта возле фундаментов под специальное оборудование в неотапливаемых промышленных зданиях [6, с. 89].

Коренные мероприятия не нашли широкого применения в практике фундаментостроения на пучинистых грунтах, так как для полного исключения действия сил морозного пучения требуются большие затраты средств и рабочей силы.

Конструктивные решения.

Наиболее важным конструктивным мероприятием против действия нормальных сил морозного пучения является глубина заложения фундаментов.

Рис. 2. Схема замещения пучинистого грунта песком (Рекомендации по проектирвоанию и расчету малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах) 1 -бетонный блок, 2 -песчаная подушка, 3 - балка, 4 - цокольный элемент, 5 - стена, 6 - расчетная глубина сезонного промерзания, 7 - отмостка из тощего бетона или асфальта

Назначение глубины заложения фундаментов на пучинистых грунтах - важный и сложный процесс фундаментостроения, при решении которого надлежит исходить из всестороннего анализа комплексного влияния различных факторов на конструкции фундаментов и грунты в основании. Глубина заложения фундаментов на пучинистых грунтах принимается не менее нормативной глубины промерзания грунтов во избежание возможности возникновения деформации выпучивания под действием нормальных сил морозного пучения. При назначении глубины заложения фундаментов следует учитывать:

геологические и гидрогеологические условия строительной площадки, т. е. виды грунтов, их физическое состояние, гранулометрический состав, наличие подземных вод и колебание их уровня стояния, влажностный режим грунтов в зоне сезонного промерзания и возможности возникновения морозного пучения грунтов;

назначение зданий и сооружений, наличие подвалов, подземных коммуникаций, фундаментов под спецоборудование, величину и характер нагрузок, действующих на основание, наличие фундаментов примыкающих зданий, условия эксплуатационного режима и климатические особенности данного района.

В практике проектирования фундаментов за исходную глубину промерзания грунтов принимается не фактическая за данный год, а нормативная и расчетная глубины. За нормативную глубину промерзания принимается среднее значение из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов по данным наблюдений за период не менее 10 лет за фактическим промерзанием грунтов под открытой, оголенной от снега поверхностью горизонтально расположенной площадки при уровне стояния подземных вод ниже глубины промерзания грунтов.

При определении расчетной глубины промерзания грунтов учитываются такие факторы, как тепловое влияние отапливаемых зданий, тепловая инсоляция на поверхности грунта, интенсивность солнечной радиации и экспозиция склона.

Конструктивные мероприятия (рис. 3) дают возможность снизить появление деформаций от морозного пучения и гарантировать устойчивость зданий и сооружений на весь срок эксплуатации. Наибольшая эффективность от применения конструктивных мероприятий достигается уменьшением сечения столбчатого фундамента в зоне сезонного промерзания, а следовательно, снижением касательных сил морозного пучения, надежной анкеровкой фундаментов по расчету на действие сил морозного пучения, повышением жесткости конструкций надфундаментного строения, расположением зданий и специальных сооружений на подсыпках из непучинистых грунтов, а также на железобетонных плитах, лежнях и балках, укладываемых без заглубления их в грунт.

Рис. 3. Конструктивные решения фундаментов: а - незаглубленный фундамент на выравнивающей подсыпке, б - незаглубленный фундамент на подушке из непучинистого материала, в - незаглубленный фундамент на подсыпке из непучинистого материала, г - мелкозаглубленный фундамент на выравнивающей подсыпке, д - мелкозаглубленный фундамент на подушке из непучинистого материала, 1 - фундаментный блок, 2 - выравнивающая, подсыпка из песка, 3 - подушка из непучинистого материала, 4 - засыпка из непучинистого материала, 5 - подсыпка из непучинистого материала, 6 - отмостка, 7 - гидроизоляция, 8 - стена сооружения.

Обработка поверхности фундаментов

Для защиты фундаментов зданий и сооружений от морозного выпучивания путем уменьшения их касательных сил НИИОСП имени Н.М. Герсеванова были разработаны физико-химические способы обработки наружной поверхности фундаментов на пучинистых грунтах с применением пластичных (консистентных) смазок, которые используются и в качестве антикоррозионного покрытия (углеводородные пластичные смазки, кремнийорганическая эмаль, олифа, полиэтиленовая пленка).

Касательные силы выпучивания формируются из сил примерзания грунта к фундаменту, сил трения мерзлого грунта по боковой наружной поверхности фундамента и сил трения мерзлого грунта по мерзлому грунту.

Пластичные смазки являются смазочными материалами. В зависимости от нагрузки пластичные смазки проявляют свои свойства вязкой жидкости и твердого тела. При небольших нагрузках смазки сохраняют свою форму, не стекают с вертикальной поверхности и удерживаются в негерметизированных узлах трения, т.е. проявляют свойства твердого тела. Смазки начинают деформироваться при незначительных нагрузках, при нагрузке 0,0001-0,0020 МПа они становятся вязкими жидкостями. После прекращения деформирования смазки вновь приобретают свойства твердого тела [7, с.15].

Смазка, нанесенная на поверхность фундамента, почти устраняет примерзание грунта к фундаменту и резко уменьшает силы трения мерзлого грунта по поверхности фундамента, уменьшает в 10-40 раз касательные силы морозного выпучивания.

Этот способ намного дешевле всех остальных, основные затраты идут на приобретение смазки. Но и он не решает всех проблем, возникающих при пучении грунтов, в частности от воздействия нормальных сил по подошве фундамента.

Перспективные решения

Одно из перспективных решений было предложено Третьяковой О.В., в диссертационной работе рассмотрен вариант сваи специальной формы с обратным уклоном части поверхности (рис. 4).

Рис. 4. Расчетные схемы сваи: а) граница промерзания в пределах конуса сваи; б) граница промерзания в пределах прямого участка сваи.

Форма учитывает воздействие на сваи нормальных и касательных напряжений, инициированных силами морозного пучения, на основе которых разработаны математические модели взаимодействия свай специальной формы с пучинистым грунтом, позволяющие управлять процессом взаимодействия конструкции с грунтом [8, с.20].

На основе технико-экономического обоснования выбраны буросекущиеся сваи. Обратный уклон части поверхности обеспечивается за счет опалубки многоразового использования либо несъемной опалубке одноразового использования.

Заключение

Таким образом, существует ряд мер по снижению воздействия морозного пучения на фундаменты, но не один из них полностью не может погасить это воздействие.

Библиографические ссылки

1. Вестник мостостроения № 1 [Текст] / А.С. Платонов - М. - 2009.. - С. 2832.

2. ВСН 29-85 «Проектирование мелкозаглубленных фундаментов малоэтажных сельских зданий на пучинистых грунтах»; Москва, 1985.

3. Украинчук А.Ю. Стабилизация грунтов методом использования гидрофо- бизирующих добавок для снижения пучинообразования грунтов // Молодой ученый. -- 2012. -- № 1. Т.1. -- С. 45-48.

4. Шорин В.А., Каган Г.Л. и др. Совершенствование методики определения пучинистых свойств грунтов. Современные научно-технические проблемы транспортного строительства: Сб. научных трудов Всеросийской научно-технической конференции/ В.А. Шорин, Г.Л. Каган, А.Ю. Вельсовский, Н.Н. Рогозин. - Казань: КГАСУ, 2007. - 246 с.

5. Пухонто, Л.М. Долговечность железобетонных конструкций инженерных сооружений [Текст] / Л.М. Пухонто. - М. - 2004 - С. 6-13.

6. Киселев М.Ф. предупреждение деформации грунтов от морозного пучения. - Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. -С. 89-90.

7. «Рекомендации по уменьшению касательных сил морозного выпучивания фундаментов с применением пластичных смазок», Москва. 1987.

8. Третьякова О.В. Юшков Б.С. Сваи с обратным конусом для транспортных сооружений, устраиваемых в сезонно промерзающих грунтах / Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2017, № 3 Третьякова О.В. - С. 18-21.

Размещено на Allbest.ru