Фундаменты. Учет грунтовых условий при строительстве фундаментов

К таким условиям относят случаи возведения фундаментов на грунтах с неустойчивой структурой, которая может существенно изменяться под воздействием внешних факторов как в период по­стройки сооружений, так и во время их эксплуатации. Такими фак­торами являются механические и физические воздействия. К механическим относят воздействия на грунт статических и динамических нагрузок, к физическим - изменения влажности и темпера­туры грунтов.

Следует отметить, что проектирование фундаментов в особых условиях всегда связано с необходимостью учета многих дополни­тельных факторов, оказывающих решающее влияние на прочность и деформативность оснований, сложенных структурно неустойчивы­ми грунтами, к которым относят сильносжимаемые, просадочные, набухающие и вечномерзлые грунты.

Сильносжимаемые грунты как основания фундаментов

Характерной особенностью сильносжимаемых грунтов является их большая и неравномерная сжимаемость под воздействием внеш­ней нагрузки. К ним относятся илы, заторфованные и насыпные грунты, ленточные озерно-ледниковые глины. Просадочные грунты характеризуются местными быстро протекающими вертикальными деформациями (просадками) в результате замачивания толщи. Этими свойствами обладают лёссовые и лёссовидные грунты. На­бухающим глинам свойственно увеличение объема при их замачи­вании. Мерзлые и вечномерзлые грунты при повышении их темпе­ратуры до положительной вследствие оттаивания кристаллизаци­онных связей льда, цементирующего минеральные частицы грунтов, резко уменьшают несущую способность оснований.

Илы принадлежат к  грунтам, образовавшимся в результате осаждения в относительно спокойной воде мелких минеральных частиц при одновременном протекании в водных осадках гидробио­логических процессов. Являясь начальной стадией формирования глинистых грунтов, илы в природном сложении обладают влажно­стью, превышающей влажность на границе текучести связных грунтов и коэффициентом пористости более 1,0 для супесей и су­глинков и более 1,5 для глин.

Различают илы современные - менее уплотненные, залегающие в большинстве случаев непосредственно на дне водоемов, и древ­ние- более уплотненные, покрытые позднейшими отложениями;

Торфы и заторфованные грунты представляют грунты, содержа­щие от 10 до 60% по массе растительных остатков, которые разла­гаются под водой в условиях избытка влаги и недостатка кислоро­да. Торфы и заторфованные грунты занимают более 20% террито­рии СССР главным образом на севере, северо-западе, в Сибири, в Белоруссии и ряде других районов.

Различают открытые торфы, представляющие собой сплошные торфяные залежи и погребенные торфы, которые прикрыты или переслаиваются наносными отложениями минеральных грунтов. Вследствие длительного процесса уплотнения под воздействием массы вышележащей толщи грунтов погребенные торфы по срав­нению с открытыми имеют большую на 20-30% объемную массу и почти в 5 раз меньшую влажность.

По мере уменьшения влажности заторфованных грунтов резко возрастает их сжимаемость без увеличения внешней нагрузки. Особенно наглядно это проявляется в случае понижения уровня грунтовых вод при дренажных работах, когда наблюдается быст­рый и неравномерный рост осадок построенных на   таких  грунтах сооружений. Так, например, построенные в Архангельске на торфах отдельные деревянные здания с давлениями на грунт менее 0,5 кгс/см² при дренажном осушении территории просели на 2-3 м и одновременно перекосились на 0,3-1,3 м, что вызвало полное разрушение зданий. Было отмечено, что наибольшая часть осадки 0,7-2 м произошла в период рытья осушительных канав. В даль­нейшем за один-два года осадки достигли величины, равной 10-50% толщины сжимаемого слоя торфа, и распространились, посте­пенно уменьшаясь, на 10-20 м в стороны от дренажных канав.

Ленточные озерно-ледниковые отложения образовались в пери­од таяния ледников в спокойных водных бассейнах, в которых осаждались взвешенные осадки, перемещаемые талыми водами: в период летнего таяния - более крупные песчаные и пылеватые частицы, в зимний период в спокойной воде - глинистые частицы. В результате этого образовались ленточные отложения с ярко вы­раженными перемежающимися тонкими горизонтально располо­женными песчаными и глинистыми слоями толщиной от нескольких миллиметров до 1 см. По механическому составу ленточные отло­жения представляют глины, суглинки и супеси, которые принято называть ленточными глинами. Они залегают пластами мощно­стью от нескольких десятков сантиметров до нескольких десятков метров.

Ленточные глины распространены на территории, которая в ледниковый период была покрыта льдом, главным образом на севе­ро-западе и севере европейской части СССР и северо-западе Сибири. Объемная масса глин-1,75-2,00 т/м³; консистенция в боль­шинстве случаев пластичная, а также текучая. При нарушении структуры (перемятии) пластичных глин они становятся текучи­ми. Угол внутреннего трения глин -12-19°; сцепление - 0,1-0,3 кгс/см².

Ленточные глины подвержены морозному пучению. Общая тол­щина прослоек льда может достигать 10-20 см и более на 1 м глу­бины промерзания. Кроме грунтов естественного сложения, возникает необходи­мость возводить фундаменты на насыпных и намывных грунтах.
К насыпным относят: однородные грунты, отсыпанные с послой­ным уплотнением или намытые методом гидромеханизации; разные грунты, получаемые при рытье котлованов или проведении горных выработок, а также шлаки, золы, отходы обогащения полезных ис­копаемых, строительный мусор и бытовые отбросы. Сжимаемость насыпных грунтов может сильно различаться даже в пределах не­большого участка.

Характерной особенностью насыпных грунтов является их по­степенное самоуплотнение под влиянием естественного периодиче­ского увлажнения атмосферными осадками и действия силы тяже­сти. По давности отсыпки насыпные грунты подразделяют на сле­жавшиеся, в которых процесс самоуплотнения закончился, и неслежавшиеся, в которых этот процесс продолжается. Самоуплот­нение песчаных грунтов продолжается от 2 до 5 лет; глинистых - 5-10 лет и более; различных отходов производства - от 2 до 15 лет.

Просадочные грунты. Фундаменты на просадочных грунтах

Просадочные лёссовые грунты образовались преимущественно из отложений пыли, переносимой ветром на соседние с пустынями и полупустынями области с сухим климатом и соответствующей растительностью. Характерной особенностью лёссовых грунтов является наличие видимых глазом мелких и крупных вертикальных пор, называемых макропорами, поперечное сечение которых (более 0,5 мм) значи­тельно больше размеров частиц грунта (0,05-0,002 мм). В сухом состоянии лёссовые грунты хорошо сохраняют вертикальные отко­сы, которые при замачивании быстро размокают и оползают.

Лёссовые грунты имеются на всех материках, но особенно мно­го в Европе, Азии, Северной и Южной Америке. Ими заняты значи­тельные площади в Средней Азии, на Украине, на Кавказе и в дру­гих районах страны. В целом лёссовые грунты занимают около 15% площади территории СССР. Эти грунты, как правило, занимая покровное положение, неред­ко подстилаются песками, галечниками или глинами. Лёссовые грунты залегают массивами мощностью от нескольких десятков метров до 100 м и более. Чаще распространена мощность массива 10-25 м. По характеру сложения лёссовые грунты разделяются на сло­истые и неслоистые. В лёссовых толщах часто встречаются два-три погребенных почвенных горизонта, которые разделяют толщу на ярусы. Кроме того, в толще могут быть прослойки и линзы из су­песей, песка, галечника и гравия. Такие включения более свойст­венны лёссовым толщам, расположенным вблизи гор.

Лёссовые грунты представляют, как правило, суглинки, реже - супеси и глины. Пористость грунтов колеблется от 30 до 58%, но чаще бывает 44-53%. Непросадочные лёссовые грунты имеют пористость менее 40%. С глубиной пористость грунтов уменьшается. Объемная мас­са, зависящая от минерального состава, структуры и содержания воды в грунте, колеблется от 1,33 до 2,03 т/м³ для лёссовых грун­тов природной влажности (наиболее часто 1,43-1,58 т/м³).

Природная влажность изменяется от 5-20% для лёссовых грун­тов, залегающих в Средней Азии, Южной Украине и Восточном Предкавказье, до 17-28%-в Сибири. С увеличением влажности лёссовые грунты из твердых становятся пластичными и текучими. При таком переходе их несущая способность снижается в 2-10 раз и более. Примерно во столько же раз увеличивается осадка, кото­рую в этом случае называют просадкой. Характерной особенностью просадки является быстрое протекание осадки вследствие интен­сивного ослабления внутренних связей между частицами грунта в результате его замачивания. Величина просадки зависит как от степени просадочности грунтов, так и от мощности просадочной тол­щи и степени ее увлажнения. Преобладающая часть просадки происходит непосредственно по мере продвижения фронта замачивания. Процесс замачивания может происходить при увлажнении толщи грунта сверху (атмосферными, техническими или хозяйст­венными водами) или снизу (при подъеме уровня грунтовых вод). По характеру реагирования на увлажнение различают непросадочные и просадочные грунты. Непросадочные лёссовые грунты распространены достаточно широко и часто встречаются в пониженных частях рельефа, в местах постоянных и периодически действующих водотоков. Непросадочными  обычно   являются   нижние части лёссовых толщ.

Просадочные грунты в зависимости от возможной величины про­садки под воздействием силы тяжести при замачивании подразде­ляют на два типа: I - просадка отсутствует или не превышает 5 см; II - просадка превышает 5 см.

Просадочные свойства чаще всего проявляются в пределах верхней части лёссовых толщ на глубину от 1-2 до 20-25 м; в большинстве случаев - на 8-10 м. Это свойственно грунтам типа 1, которые распространены значительно больше, чем грунты типа II. Большая глубина просадочной толщи (10-25 м) характерна для грунтов типа II, которые встречаются в некоторых районах Украи­ны, Восточного Предкавказья и Средней Азии.

Величину просадки определяют в результате замачивания в по­левых условиях опытных участков грунта с размерами сторон, рав­ными толщине просадочного слоя, но не менее 20x20 м. Замачива­ние грунта на участке продолжают до тех пор, пока в течение по­следних двух недель величина просадки от силы тяжести грунта не будет превышать 1 см в неделю. При толщине слоя лёссовых грунтов менее 5 м величину просадки определяют по результатам компрессионных испытаний.

Набухающие грунты являются глинистыми отложениями, ха­рактерной особенностью которых является повышенная плотность и высокое содержание (65-85%) глинистых частиц размером ме­нее 0,005 мм. Такие грунты встречаются в Поволжье, на Северном Кавказе, в Казахстане, Крыму. Значительные районы залегания набухающих грунтов имеются в Индии, Ираке, Канаде, США и других странах. В природном залегании эти грунты (глины) харак­теризуют твердой и тугопластичной консистенцией при объемной массе от 1,95 до 2,05 т/м³. Пористость грунтов находится в пределах от 41 до 48% при влажности 15-18% в кровле и 25-30% в сред­них слоях и подошве толщи.

В результате увлажнения этих глин объем увеличивается на 12-25%, а в отдельных случаях на 30-36%. Вследствие набуха­ния объемная масса глин уменьшается до 1,77-1,87 т/м³, а пори­стость увеличивается до 50-58%. Влажность набухшего грунта увеличивается до 36-48% и указывает на переход глин в пластич­ное состояние, что резко снижает их несущую способность.

Величина нормальных сил набухания в природном залегании достигает под торцом свай 3,5-4,0 кгс/см², а касательных - по бо­ковой поверхности свай 0,3-0,37 кгс/см². Разуплотняясь при набу­хании, глины поднимают толщу вышележащих покровных грунтов, которые, в свою очередь, стремятся поднять плиту фундамента или торец свай.

Относительное набухание существенно понижается с увеличени­ем внешнего давления в интервале нагрузок от 0 до 5 кгс/см2. Дальнейшее увеличение давления в меньшей степени влияет на от­носительное набухание. Мерзлыми называют грунты, имеющие отрицательную темпера­туру и содержащие часть воды в порах в виде льда, цементирую­щего частицы грунта. Вечномерзлыми называют грунты, не подвергающиеся сезон­ному оттаиванию в течение длительного времени.

Вечномерзлые грунты. Фундаменты на вечномерзлых грунтах

Вечномерзлые грунты (вечная мерзлота) распространены на значительных территориях СССР, Канады, Аляски, Антарктиды и занимают около четвертой части всей суши планеты. В СССР они занимают около 47% территории страны, преимущественно в се­верных и северо-восточных ее районах, где залегают сплошным массивом на глубину до 500 м, а местами и более. Южнее этих районов мощность толщи вечномерзлых грунтов уменьшается, в отдельных местах появляются острова талых грунтов (талики). Встречаются мерзлые грунты с талыми прослойками, а также в ви­де отдельных островков или линз, окруженных талым грунтом.

На характер и глубину залегания вечномерзлых грунтов ока­зывают существенное влияние особенности рельефа, местные усло­вия, грунтовые и поверхностные воды, наличие растительного по­крова и ряд других факторов. Так, на северных склонах мерзлота сохраняется лучше, чем на южных. В подрусловой части постоянно действующих водотоков вследствие отепляющего действия текущей воды верхняя граница мерзлоты может располагаться на десятки метров ниже дна русла, а в пределах русел больших рек мерзлота отсутствует. При отсыпке насыпей на вечномерзлый грунт граница мерзлоты повышается и при высоких и широких насыпях распола­гается в теле насыпи.

Глубина залегания вечномерзлых грунтов на периодически дей­ствующих водотоках во многом зависит также от мощности снеж­ного покрова, его плотности и времени его отложения. Слой снега, скапливающийся в пониженных местах и в местах, покрытых кус­тарником, может достигать 1,5 м и более, что способствует значи­тельному уменьшению слоя сезонного промерзания грунта, особен­но в начале зимы, когда плотность снега не превышает 0,18-0,22 г/см³.

В местах естественного залегания вечномерзлые грунты всегда прикрыты слоем грунта, подвергающегося сезонному промерзанию и оттаиванию. Этот слой называют сезонно-промерзающим, если он зимой не сливается с поверхностью вечномерзлых грунтов, и сезонно-оттаивающим, если сливается с вечномерзлым грунтом.

Основными характеристиками температурного режима вечно­мерзлых грунтов является температура грунта на глубине около 10 м и толщина слоя сезонного промерзания-оттаивания, которая Различна для разных районов. В заполярных районах грунт оттаивает на глубину в среднем 0,5-1,5 м, а в тундровой зоне при нали­чии мохорастительного покрова - на 0,2-0,3 м. В центральных районах грунт промерзает и оттаивает в среднем на 1,5-2,5 м, в южных - на 2-3 м, а в бесснежных районах (Забайкалье, район Братска и др.) на 4-5 м.

Мерзлые грунты по их состоянию подразделяют на твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые. Твердомерзлыми назы­вают песчаные и глинистые грунты, прочно сцементированные льдом. Такие грунты характеризуются относительно хрупким раз­рушением и практически несжимаемы под воздействием нагрузок от сооружений. Твердомерзлое состояние грунтов наступает при температурах ниже -0,3° С для пылеватых песков, -0,6° С для супесей, -1°С для суглинков и -1,5°С для глин. При более вы­соких температурах (но ниже 0е), когда в порах грунтов сохраняет­ся еще много незамерзшей воды, мерзлые грунты обладают вязко-пластичными свойствами и заметно деформируются под нагрузка­ми от сооружений. Такие грунты называют пластичномерзлыми. Если грунты с отрицательной температурой из-за малой влажности не сцементированы льдом, как, например, почти сухие пески и крупнообломочные грунты, то такие грунты называют сыпучемерзлыми.

Основные свойства мерзлых грунтов зависят главным образом от характера ледяных связей между минеральными частицами. Количество и температура замерзшей воды оказывают решающее влияние на прочность, деформируемость, теплоемкость и другие физико-механические характеристики мерзлых грунтов.

Количество воды, превратившейся в лед, зависит от вида грун­та и величины отрицательной температуры. В чистых песках вода замерзает почти полностью при температуре 0°С; не замерзает только 0,2-2% воды.

В глинистых грунтах вода замерзает, проходя несколько стадий. Сначала при температуре от - 0,2 до - 0,4°С для глин пластичной консистенции и от - 0,6 до 1,2° С для глин твердой консистенции в лед превращается только свободная вода; при дальнейшем пони­жении температуры до -20° С, а для некоторых глин до -30°С замерзает слабосвязная вода. Прочносвязная (на уровне молеку­лярных связей) вода замерзает еще при более низких температу­рах. В мерзлых глинистых грунтах всегда содержится незамерзшая вода в количество от 5 до 40% в зависимости от температуры грунтов.

В процессе замерзания грунтов их влажность изменяется вслед­ствие подсоса воды замерзающими слоями. Это явление, называе­мое миграцией влаги, приводит к переувлажнению верхних слоев и как следствие к пучению многих грунтов. Последнее объясняется особенностью взаимодействия с мелкими частицами грунта воды, которая при замерзании увеличивается в объеме до 9%.

Пучению подвержены глинистые, мелкие и пылеватые песчаные грунты, а также крупнообломочные, содержащие частицы размером менее 0,1  мм в количестве 30%  и более по массе или свыше 3% частиц размером менее 0,02 мм. Увеличение объема таких водонасыщенных грунтов при их замерзании может достигать десятков процентов. Вследствие этого происходит вспучивание (поднятие) поверхности грунтов. Если свободному выпучиванию препятствуют сваи, прорезающие сезонно промерзающий слой и заделанные в нижележащую толщу грунтов, то на контакте промерзающего слоя с боковой поверхностью свай возникают касательные силы мороз­ного пучения, стремящиеся выдернуть (приподнять) сваи.

По данным отечественных и зарубежных исследований величина касательных сил морозного пучения в зависимости от свойств грун­тов, степени их влажности и глубины промерзания изменяется от 0,6 до 2 кгс/см², а в отдельных случаях до 3 кгс/см².

Меньшие значения касательных сил выпучивания соответствуют условиям постройки фундаментов зданий и сооружений, возводи­мых на маловлажных грунтах; более высокие - для сооружений, возводимых в местах большего увлажнения пылеватых грун­тов. В соответствии с этим для сооружений первой группы в СНиП П-Б. 6-66 приняты нормативные значения касательных сил выпучивания тп 0,6 и 0,8 кгс/см². При расчетах фундаментов мостов принимают .