Методы укрепления массива и конструкции фундаментов в просадочных грунтах.

1. Фундаменты из сборных и монолитных пирамидальных свай.

Область применения: применение коротких пирамидальных свай с большим углом наклона боковых граней целесообразно в рыхлых и близких к ним песках, маловлажных тугопластичных глинистых грунтах, лессовых грунтах I типа по просадочности.

Такие сваи могут применяться для фундаментов жилых домов до девяти этажей, фундаментов производственных зданий (при количестве свай в кусте не более четырех), безростверковых фундаментов сельскохозяйственных зданий.

Пирамидальные сваи изготавливаются ненапрягаемыми с поперечным армированием и с напрягаемым центральным стержнем без поперечного армирования ствола.

2. Поверхностное уплотнение грунтов тяжёлыми трамбовками.

Для уплотнения грунтов используют металлические или железобетонные трамбовки диаметром 1,4 … 3,5 м; массой 2 … 10 т, (тяжелые) и до 50 т (сверхтяжелые). Подъем и сбрасывание трамбовок производят краном или другим механизмом с высоты 4 … 8 м. Трамбованием создается уплотненный слой толщиной 1,5 … 6 м в зависимости от веса трамбовки, площади ее рабочей поверхности, высоты сбрасывания, числа ударов, вида грунта, его начальной плотности.

Под действием трамбования образуется уплотненная зона в пределах которой плотность сухого грунта изменяется от максимальной в верхней части до заданной на нижней границе уплотненной зоны. За нижнюю границу уплотненной зоны принимается граница, на которой удельный вес сухого грунта достигает: для песков γds = 16 кН/м3, супесей – 16,5, суглинков и глин – 17, 17,5, лессовых просадочных грунтов – 16 кН/м3 и устраняются просадочные свойства.

Уплотнение тяжелыми трамбовками просадочных грунтов применяется на площадках I типа по просадочности для устранения этих свойств в основании фундаментов, а на площадках II типа – также и для создания маловодопроницаемого экрана под всем зданием. При неполном устранении просадочных свойств на площадках со II типом грунтовых условий по просадочности поверхностное уплотнение применяется в сочетании с предварительным замачиванием.

Уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками применяется при степени влажности sr ≤ 0,7 и плотности сухого грунта ρd ≤ 1,6 г/см3.

Уплотнение трамбованием целесообразно вести, если понижение поверхности при трамбовании превышает 7 … 8 см для связных и 5 см для несвязных грунтов.

Требуемая глубина уплотнения просадочных грунтов определяется из условия полного устранения просадочных свойств грунтов в пределах всей деформируемой зоны или только в верхней ее части на глубину, при которой суммарные осадки и просадки фундаментов не превышают предельных величин. При уплотнении с целью создания сплошного маловодопроницаемого экрана глубина уплотнения должна быть не менее 1,5 м.

Порядок расчета оснований, уплотненных тяжелыми трамбовками

1. Определение глубины зоны уплотнения и величины недобора грунта до проектной отметки.

2. Определение размеров фундаментов, исходя из прочностных и деформационных характеристик уплотненного основания,

принимаемых по табл. 1.9, 1.10.

3. Расчет по II группе предельных состояний, включающий проверку прочности подстилающего неуплотненного грунта,

расчет осадок по схеме двухслойного основания и при необходимости расчет просадки.

4. Увеличение размеров фундамента или размеров трамбовки (диаметра и массы) при превышении предельно допустимых

значений деформаций.

5. Определение размеров уплотняемой площади bs, ls.

3. Расчёт и проектирование грунтовых подушек.

Грунтовые подушки применяют с той же целью, что и уплотнение тяжелыми трамбовками, т.е. для устранения просадочных свойств в пределах всей или в верхней части деформируемой зоны или для передачи давления на более прочный грунт по сравнению с несущим слоем. При их устройстве слабый грунт заменяют песчаным средней крупности и крупным или местным глинистым. Применение подушек способствует уменьшению и выравниванию осадок сооружения, снижению объема и глубины залегания фундаментов.

К грунтам, используемым в качестве подушек, предъявляются требования удобоукладываемости с заданной плотностью, высокого сопротивления сдвигу и устойчивости скелета грунта при увлажнении. Песок при устройстве подушек уплотняют послойно, обычно, катками на пневмоколесном ходу. Плотность каждого слоя контролируется. При устройстве подушек для создания сплошного водонепроницаемого экрана применяют глинистые грунты с удельным весом сухого грунта γd ≥ 17 кН/м3.

При устройстве грунтовых подушек с целью ликвидации просадочных свойств используют песчаные грунты (на площадках I типа по просадочности) и глинистые, с удельным весом сухого грунта γd ≥ 16 кН/м3.

Грунтовые подушки применяются:

1) когда степень влажности грунтов в основании фундаментов sr > 0,7;

2) при необходимости уплотнять слой толщиной более 3 … 3,5 м, в этом случае применяется двухслойное уплотнение путем сочетания поверхностного уплотнения тяжелыми трамбовками с устройством поверху уплотненного слоя грунтовой подушки;

3) при невозможности поверхностного уплотнения тяжелыми трамбовками.

Необходимая толщина грунтовой подушки определяется таким образом, чтобы давление, передаваемое на подстилающий слой, не превышало расчетного сопротивления этого грунта Rz , а также расчетом по деформациям.__

Порядок расчета грунтовой подушки

1. Определение размеров грунтовой подушки hs, bs, ls; размеров фундамента по прочностным и деформационным

характеристикам уплотненного грунта подушки (табл. 1.9 и 1.10).

2. Расчет по I группе предельных состояний.

3. Расчет по II группе предельных состояний, включающей проверку прочности подстилающего слоя, расчет осадки и при

необходимости расчет просадки.

4. Расчёт и проектирование армированных грунтовых подушек.

При строительстве зданий и сооружений на слабых и просадочных грунтах в качестве искусственного основания могут использоваться грунтовые подушки, армированные различными материалами – стержнями, сетками, волокнами. Армогрунт представляет собой композитный материал, в котором арматура перераспределяет усилия растяжения-сжатия на грунтовую подушку, снижает деформативность основания

Размеры грунтовой подушки определяются в соответствии с предыдущим пунктом. К числу основных факторов, влияющих на несущую способность армированного основания, относятся: относительное расстояние от подошвы фундамента до армирующегося элемента hs =0−1 (оптимальные значения, полученные по экспериментальным данным (hs=hs/B=0,15−0,25), относительная длина и ширина армирующего элемента Ls(Bs)=1−4 (оптимальные значения Ls(Bs)=2−2,5), интенсивность армирования ds/s =0,5−7 (оптимальные значения ds/s=2−4, где s =s/B –относительный шаг армирования; ds – диаметр стержней, см); относительная плотность грунтов основания (для песчаных подушек ρ = 1,65) ρ = 1,6 … 1,7.

Порядок расчета армированных грунтовых подушек

1. Назначение параметров армированного основания: hs , L s , d s / s , ρ.

2. Определение размеров фундамента и подушки.

3. Проверка прочности слабого подстилающего слоя и расчет осадки, а при необходимости, если hs < Hsl и просадки.

4. Расчет по I группе предельных состояний (по несущей способности).

При невыполнении условия изменяют параметры армирования, размеры подушки или фундамента.

5. Вытрамбовывание котлованов.

Метод устройства столбчатых и ленточных фундаментов в вытрамбованных котлованах применяют:

1) при строительстве на просадочных грунтах I типа по просадочности при Ip ≥ 0,03, γd ≤ 16 кН/м3, sr ≤ 0,75 для фундаментов неглубокого заложения и sr ≤ 0,65 для удлиненных фундаментов;

2) в грунтах II типа по просадочности в том случае, если суммарная величина просадки от собственного веса и осадки фундамента от нагрузки не превышает предельно допустимых значений;

3) для производственных и складских одноэтажных зданий с несущими конструкциями, малочувствительными к неравномерным осадкам и нагрузкой на отдельный фундамент до 400 кН при максимальной величине просадки ssl, g ≤ 20 см, и применении комплекса водозащитных мероприятий.

Столбчатые фундаменты применяют для каркасных промышленных, гражданских зданий при вертикальной нагрузке до 2000 кН; ленточные прерывистые при нагрузке до 300 кН/м; фундаменты с уширенным основанием рекомендуется применять при нагрузках свыше 500 … 800 кН.

В связи с тем, что при трамбовании на рядом расположенные здания и сооружения могут передаваться динамические нагрузки, ограничиваются минимально допустимые расстояния: до сооружений не имеющих трещин в стенах – не менее 10 м, до сооружений с трещинами в стенах, а также до инженерных коммуникаций из чугунных, керамических, асбестовых труб – не менее 15 м. Если масса трамбовок менее трех тонн, эти расстояния могут быть уменьшены в полтора раза.

При устройстве фундаментов глубина трамбования составляет 0,6 … 3 м. Трамбовка массой 1,5 … 10 т, имеющая форму фундамента, падает с высоты 6 … 10 м. Уклон боковых граней трамбовок изменяется в пределах от 1: 1,5 до 1: 3. Для трамбования котлованов под фундаменты с уширенным основанием применяются трамбовки квадратной, шестигранной или округлой формы с углом заострения нижнего конца 60 … 90°. Высота трамбовки должна превышать максимальную глубину трамбования котлованов на 10 … 20 см. Масса трамбовки назначается, исходя из того, чтобы давление по основанию трамбовки было не менее 30 кПа для фундаментов без уширения, и не менее 50 кПа – с уширением. Размеры трамбовки назначаются в зависимости от размеров фундамента и в целях унификации принимаются равными по низу 0,3 … 1,6 м с шагом 10 см.

Вытрамбовывание грунтов производят с помощью кранов или экскаваторов с комплектом навесного оборудования. Фундаменты в вытрамбованных котлованах проектируются монолитными с учетом бетонирования их враспор со стенками котлована. В ходе вытрамбовывания происходит одновременно устройство котлована и уплотнение грунтов. В основании фундаментов образуется уплотненная зона с γd ≥ 16 кН/м3, что приводит к устранению просадки в этой зоне.

В том случае, если в основании котлована во время трамбования укладывается щебень или жесткий бетон, при его втрамбовывании создается уширение, что приводит к увеличению несущей способности основания от 1,5 до 3 раз в зависимости от объема втрамбованного материала.

Порядок расчета

1. Определение размеров фундамента по напряжениям в среднем сечении фундамента Am = Fv / σm, размеров уплотняемой зоны. Для фундаментов с уширенной частью определение объема втрамбованного материала и размеров уширенной части.

2. Расчет по I группе предельных состояний.

3. Проверка давления под подошвой фундамента. Расчет осадки.

4. Определение необходимой массы трамбовки, числа ударов для получения заданной глубины трамбования, необходимого объема воды для получения оптимальной влажности.

6. Грунтовые сваи.

Глубинное уплотнение грунтов пробивкой скважин (грунтовыми сваями) применяется при необходимости устранения просадочных свойств грунтов на глубину до 24 м, при устройстве противофильтрационных завес, при отсутствии прослоек плотных грунтов, песков, маловлажных супесей, переувлажненного грунта со sr > 0,75 и верховодки.

Уплотнение просадочных грунтов выполняется из расчета достижения среднего значения удельного веса сухого уплотненного грунта на площадках с I типом грунтовых условий по просадочности – 16,5 кН/м3; II типа – 16,5 кН/м3 – в пределах верхнего слоя на глубину Hsl / 2 и 17 кН/м3 в пределах нижнего слоя на ту же глубину. В случае пробивки скважин в целях устройства противофильтрационных завес, удельный вес сухого грунта γd,s ≥ 17,5 кН/м3.

При применении грунтовых свай для устройства противофильтрационных завес засыпку скважин выполняют суглинками или глинами. Уплотнение грунтовыми сваями выполняют на грунтовых условиях I типа по просадочности – в пределах деформируемой зоны hslp, II типа – на всю глубину просадочной толщи. Отметка низа грунтовых свай принимается на один метр выше проектной глубины уплотнения.

Грунтовые сваи размещают в шахматном порядке, причем число рядов по длине и ширине должно быть не менее трех. Первый ряд располагают на расстоянии от границы уплотняемой толщи равным 0,5l, где l – расстояние между центрами грунтовых свай.

Размеры уплотняемого массива должны превышать размеры подошвы фундамента на величину, равную 0,2b, но не менее 0,8 м (b – ширина подошвы фундамента) – на грунтовых условиях I типа по просадочности; 0,2Hsl – на грунтовых условиях

II типа, где Hsl – мощность просадочной толщи.

Ширина уплотняемой площади на грунтах I типа – не менее 0,2 от глубины уплотнения, II типа – не менее 0,5Hsl.

Порядок расчета оснований, уплотненных пробивкой скважин

1. Определение расстояния между осями грунтовых свай, размеров уплотняемой площади, мощности уплотненной зоны.

2. Определение расчетного сопротивления основания и подбор ширины подошвы фундамента.

3. Проверка прочности слабого неуплотненного грунта.

4. Расчет осадки (как двухслойного основания) и определение требуемого количества материала для заполнения скважин.

7. Особенности проектирования свайных фундаментов в просадочных грунтах.

Проектирование ведется в зависимости от типа грунтовых условий по просадочности, величины и характера приложенных нагрузок. Свайные фундаменты следует проектировать с прорезкой просадочной толщи и опиранием их на малосжимаемые слои грунта.

При проектировании фундаментов в грунтовых условиях I типа по просадочности рекомендуется заглублять нижние концы свай не менее чем на 0,5 … 1 м в непросадочные плотные и средней плотности пески или глинистые грунты с показателем текучести IL ≤ 0,6. В грунтовых условиях II типа сваи заглубляют в непросадочные глинистые грунты с IL < 0,4 для забивных свай и IL < 0,2 для буронабивных свай при sseg ≤ su; IL < 0,2 для забивных свай и IL ≤ 0 для буронабивных при sseg > su в грунтовых условиях II типа. Расчетные характеристики R, E, ϕ, с должны определятся при полном водонасыщении грунта, IL ≥ 0,4.

Если проектируется здание III класса СНиП допускается неполная прорезка сваями просадочной толщи с заглублением их нижних концов не менее чем на один метр в грунт с относительной просадочностью εsl < 0,02 при р = 0,3 МПа. На грунтах II типа при просадке от собственного веса более 30 см проектирование свайных фундаментов не рекомендуется, так как их

несущая способность не будет обеспечена.

Порядок расчета свайных фундаментов

1. Определение несущей способности сваи (с учетом сил отрицательного трения).

2. Определение требуемого количества свай, конструирование ростверк.

3. Проверка давления по подошве условного свайного фундамента и расчет осадки.

8. Инъекционное закрепление грунтов способами силикатизации и смолизации.

Силикатизация применяется для повышения несущей способности просадочных грунтов и устройства фундаментов из закрепленного грунта. Этот метод может применяться в песчаных грунтах с коэффициентом фильтрации 0,5 … 80 м/сут и в лессовых просадочных грунтах с коэффициентом фильтрации 0,2 … 2 м/сут.

Способ силикатизации заключается в помещении в грунт силиката натрия и хлористого кальция или ортофосфорной кислоты (двухрастворная силикатизация) или только силиката натрия (однорастворная силикатизация). Эти растворы реагируют между собой или с содержащимися в грунте солями и образуют гель кремниевой кислоты. Основная реакция взаимодействия раствора силиката натрия с хлористым кальцием происходит по схеме (Б. А. Ржаницын, 1935)

Na2nSiO2 + CaCl2 + mH2O = n SiO2 (m – 1) H2O + Ca(OH)2 + 2NaCl.

При двухрастворной силикатизации вначале нагнетают раствор жидкого стекла плотностью 1,2 … 1,26 г/см3 сверху вниз из расчета 140 … 180 л/м3, а затем раствор хлористого кальция плотностью 1,07 … 1,09 г/см3 в том же количестве заходками снизу вверх. Постоянный электрический ток пропускают во время заливки растворов и в течение нескольких суток в зависимости от проницаемости грунта. Расход электроэнергии составляет 20 … 30 кВт ⋅ ч/м3, катодами служат трубы или стальные стержни. Погружение электродов осуществляют отбойными молотками, а извлечение домкратами.

Для закрепления песков гравелистых, крупных и средней крупности с коэффициентом фильтрации kф = 5 … 80 м/сут используют двухрастворную силикатизацию на основе силиката натрия и хлористого кальция, для закрепления песков средней крупности, мелких и пылеватых с kф = 0,5 … 20 м/сут используют однорастворную силикатизацию на основе силиката натрия и кремнефтористоводородной кислоты или ортофосфорной кислоты. Радиус закрепления 0,3 … 0,6 м. Прочность закрепленных песков 2 … 4 МПа.

В просадочных грунтах с kф = 0,5 … 2 м/сут используется силикатизация на основе силиката натрия. Преимуществами этого способа является мгновенный процесс закрепления и быстрое нарастание прочности во времени. При действии раствора силиката натрия на лессовые грунты происходит мгновенная обменная реакция между катионом кальция коллоидного поглощаемого компонента лессовых грунтов и катионом натрия силикатного раствора . В результате реакции образуется микрослой цементирующих известковисто-кремнеземистых новообразований и происходит прочное закрепление лессовыхгрунтов.

В песках всех видов при kф = 0,5 … 50 м/сут используется смолизация на основе карбамидных смол и соляной кислоты.

Смолизация грунтов осуществляется путем нагнетания в грунт водных растворов или смесей из синтетических смол с отвердителем. Плотность раствора зависит от коэффициента фильтрации. Преимуществом смолизации перед однорастворнойсиликатизацией является возможность более прочного закрепления грунтов.

При создании закрепленного массива инъекторы располагаются рядами в шахматном порядке.

При закреплении лессовых грунтов силикатизацией применяются следующие конструктивные схемы:

1) сплошных массивов из закрепленного грунта под отдельные фундаменты или под все сооружение в целом, по этой схеме предусматривается вынос закрепления за контуры фундамента;

2) армирование грунтов основания в деформируемой зоне отдельными элементами из закрепленного грунта, при котором непосредствен- но под подошвой фундамента остаются участки незакрепленного грунта;

3) комбинированная схема, предусматривающая сплошное закрепление на некоторую глубину непосредственно под подошвой и армирование элементами из закрепленного грунта нижележащей просадочной толщи.

Порядок расчета химически закрепленных оснований

1. Определение вида закрепления (одно – двухрастворная силикатизация, смолизация), радиуса закрепления, прочности закрепленного грунта.

2. Определение размеров закрепленного массива и количества инъектируемого раствора. Глубина закрепления для грунтов II типа по просадочности – на всю просадочную толщу, для I типа – на верхнюю часть (в пределах hsl,p).

3. Определение размеров подошвы фундамента по нормативным значениям характеристик закрепленного грунта и в зависимости от схемы закрепления, проверка давления под подошвой.

4. Расчет осадки.