Песчаные подушки, как уже говорилось, применяются для увеличения устойчивости и уменьшения осадок фундаментов, для дренирования отжимаемой поровой воды, а также для замены пучинистых при промерзании слабых водонасыщенных глинистых грунтов непучинистыми. Толщина подушки принимается в зависимости от ее назначения. При замене пучинистых при промерзании грунтов песчаную подушку устраивают на всю глубину промерзания грунтов в данном районе. Если же районы имеют большую зону промерзания, то необходимо принять фундаменты такой конструкции, чтобы песчаная подушка работала круглогодично, и вода в ней не замерзала. Поэтому в северных районах над песчаной подушкой рекомендуется устраивать теплоизолирующий экран.

При использовании песчаной подушки в качестве горизонтального дренажа ее толщина должна быть такой, чтобы даже при заилении грунта глинистыми частицами верхняя часть подушки работала как дренаж.

В том случае если песчаную подушку под фундаменты устраивают для уменьшения осадки фундаментов, толщину ее определяют из условия, чтобы осадка подушки и подстилающих водонасыщенных глинистых грунтов (в пределах сжимаемой толщи) была меньше осадки, допустимой для сооружения данного типа.

При воздействии на фундамент горизонтальной силы или момента сил необходимо рассчитать фундамент на устойчивость. Толщина подушки при этом должна быть такой, чтобы поверхность скольжения фундамента при потере устойчивости проходила только в пределах песчаной подушки, так как прочностные характеристики подстилающих слабых грунтов (угол внутреннего трения и сцепление) меньше, чем у песка.

В связи с тем что в ряде случаев толщина песчаных подушек достигает 7 м, необходимо рассчитывать фундамент на устойчивость и при вертикальной нагрузке.

Рассмотрим последовательность расчета осадки фундамента, расположенного на песчаной подушке. По данным о гранулометрическом составе песка и исходя из реально возможных методов его уплотнения в теле подушки определяют коэффициент пористости песка после его уплотнения и устанавливают вероятное (приближенное) значение модуля общей деформации песка данного гранулометрического состава .

Затем строят эпюру распределения напряжений под центром фундамента на глубину основания, используя при этом решение теории упругости для жесткого штампа. Если модуль деформации грунта, подстилающего песчаную подушку, более чем в 5 раз отличается от модуля общей деформации песка, то при построении эпюры распределения вертикальных напряжений под подошвой фундамента следует использовать решение К. Е. Егорова для двухслойных оснований. Зная значения модулей общей деформации песка в теле песчаной подушки и подстилающего слабого глинистого грунта, определяют осадку фундамента на подушке по методу послойного суммирования. Если для слабых водонасыщенных грунтов обнаружено явление начального градиента напора, целесообразно при расчете осадки использовать предложенную нами методику. Размеры песчаной подушки в плане определяются по решениям Б. И. Далматова и Я. Д. Гильмана.

Если подушку возводят без котлована, то обычно ее размеры в плане понизу больше размеров поверху на величину, равную удвоенной толщине песчаной подушки, умноженной на угол внутреннего трения песка. Причем угол этот должен определяться при плотности равной плотности песка в теле подушки. При расположении песчаных подушек в котловане или в траншеях существует опасность, что они потеряют устойчивость. При этом будет наблюдаться «расползание» песка и выдавливание окружающего подушку слабого грунта. Совершенно очевидно, что горизонтальное перемещение частиц песчаной подушки произойдет под действием горизонтальных напряжений. Б. И. Далматов и Я. Д. Гильман предложили формулу для расчета горизонтальных напряжений из учета плоского скольжения клина при потере устойчивости песчаной подушки. Однако формулы эти следует рассматривать как приближенные, так как поверхность скольжения принята авторами в виде плоскости, что не совсем точно отражает форму фактических поверхностей скольжения при потере основанием устойчивости.

Практика строительства знает ряд случаев, когда фундаменты, построенные на песчаной подушке, испытывали большие осадки. Как правило, это было вызвано их плохим изготовлением. Так, в районе Мурманска в 1966 г. произошла авария трехэтажного панельного здания, построенного на песчаной подушке толщиной 2 м, устроенной на слое мягкопластичных глинистых грунтов. Анализ аварии показал, что песчаная подушка была уложена с нарушением строительных норм и правил. Песок укладывался в зимнее время (во время снегопадов) слоями толщиной по 40 см без уплотнения.

В результате даже после открытия шурфов в июле 1966 г. песчаная подушка напоминала слоеный пирог, где между слоями песка находились прослойки и линзы снега и льда толщиной до 4 см каждая. Причиной аварии послужило оттаивание снега и льда.

Песчаную подушку необходимо устраивать таким образом, чтобы добиться максимальной плотности в ее тёле. Сплошные песчаные подушки в основании железобетонной плиты или на дне большого котлована обычно возводят послойно толщиной каждого слоя 15-20 см, уплотняя слои песка гладкими или кулачковыми катками. Если песчаные подушки возводят для фундаментов отдельно стоящих колонн, то песок в теле подушки уплотняют виброплитами, вибрационными, пневматическими и дизельными трамбовками, а также другими трамбующими машинами.

Если песчаные подушки более чем на 1,5 м выше уровня грунтовых вод, то обычно песок в теле подушки уплотняют тяжелыми трамбовками. В этом случае песчаную подушку уплотняют послойно (при толщине каждого слоя до 2 м). Уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками (метод предложен Ю. М. Абелевым и В. Б. Швецом) производится следующим образом. К копру, крану или экскаватору подвешивают трамбовку весом от 2 до 7 т, которую сбрасывают с высоты 4-7 м по одному следу от 8 до 12 раз; при этом для трамбовок весом 2-4 т удается получить трещину уплотненного слоя 2 м, а для трамбовок весом 6-7 т - 3 м. Для получения песка средней плотности и плотного в теле песчаной подушки (объемный вес 1,65-1,75 гс/см³) для средне- и крупнозернистых песков обычно требуется 8-14 ударов трамбовки весом 2-4 т, сбрасываемой с высоты 4-5 м по одному следу.

Трамбовку изготовляют обычно на месте строительства из железобетона в форме усеченного конуса диаметром понизу 1,4-2,4 м и с низким расположением центра тяжести.

В последние годы песчаные подушки толщиной до 7 м устраиваются методом намыва. При этом в зависимости от способа намыва и гранулометрического состава песка в карьерах в песчаные подушки попадают пылеватые и глинистые частицы. Обычно после намыва песчаной подушки на слой слабых водонасыщенных глинистых грунтов песок в теле песчаной подушки остается водонасыщенным. Для уплотнения больших толщ намытого песка часто применяется глубинное виброуплотнение.

При устройстве песчаных подушек на территориях, покрытых водой, песок в теле подушки (при большой ее толщине) можно уплотнить при помощи взрывов (метод Флорина-Иванова). В этом случае применяются пневмопульсационные установки, работающие от компрессоров (Трофимова - Яковлева), или используется электроискровой метод (Ломизе). Таким путем можно уплотнять песчаные подушки, отсыпанные из крупно-, средне- или мелкозернистых песков. Пылеватые пески этими методами практически не уплотняются.

Песчаные подушки на дне реки или залива (на глубине более 5 м) отсыпают с барж или шаланд. Песок отсыпается в реку таким образом, чтобы не разрушить структуры подводных илов. Первый слой толщиной 30-40 см обычно отсыпают из мелкозернистого песка, а затем песчаную подушку отсыпают слоями по 0,5-1 м. При таком методе отсыпки ил не проникает в тело песчаной подушки. Рассматриваемая технология позволяет создавать песчаные подушки шириной, равной 5-6-кратной ширине фундаментов. Необходимо отметить, что этот метод применяется при возведении сооружений, которые допускают большие величины осадок (мол, земляные сооружения и т. п.).

Особенно тщательно следует уплотнять песчаные подушки под фундаменты машин или оборудования с динамическими нагрузками, подушки, возводимые на слабых грунтах в сейсмических, районах и при вероятном воздействии волновой нагрузки. В этих случаях в качестве материала подушки нельзя использовать пески, содержащие даже небольшой процент слюды или ракуши.

Для контроля качества уплотнения (особенно при больших толщах песчаных подушек) используют статическое или динамическое зондирование. Если песчаные подушки толщиной более 2 м устраивают для особо ответственных сооружений, то после уплотнения подушек проводится испытание грунтов опытными штампами.