Основные принципы проектирования

Основные принципы проектирования

Набухание грунтов при их замачивании приводит к появлению деформаций здании, возведенных без проведения специальных мероприятий. Поэтому при проектировании и строительстве сооружений на набухающих грунтах следует предусматривать мероприятия, направленные на обеспечение их устойчивости и эксплуатационной пригодности. Эти мероприятия должны быть разработаны на основе учета специфики возникновения процесса набухания грунта в основании, характера протекания этого процесса и закономерностей набухания грунта в массиве. Недооценка этих особенностей может привести к тому, что предусмотренные меры окажутся мало или совсем не эффективными.

Поясним это положение на одном примере. Установлено, что набухание грунта происходит в результате увеличения его влажности. Обычно принято считать, что влажность грунта основания увеличивается вследствие утечек воды из различных трубопроводов (сетей теплотрассы, водопровода, канализации ит д) Поэтому, казалось бы, что избежать набухания грунта можно предотвратив утечки и попадание воды в основание. Это можно осуществить путем проведения так называемых водозащитных мероприятий. Однако даже при осуществлении этих мероприятий не исключается возможность набухания грунта, так как в этом случае будет устранена только одна из причин возможного набухания — искусственное замачивание основания, обусловленное изменением условий испарения и накопления влаги под сооружением.

Следовательно, при строительстве сооружений на набухающих грунтах даже при осуществлении водозащитных мероприятий не исключается возможность деформаций зданий в результате набухания. Однако благодаря таким мероприятиям можно предотвратить неравномерные деформации, наиболее опасные для сооружений.

В некоторых случаях кажется, что избежать набухани грунта можно, принимая давление по подошве фундамента равным или большим давления набухания. В этом случае в напряженной зоне, примыкающей к фундаменту, действительно м гут отсутствовать деформации разуплотнения или даже может наблюдаться уплотнение грунта. Следовательно, при замачивании грунта в основании фундаментов формируются зоны уплотнения или нейтральная. Однако при большой толщине набухающих грунтов имеется и зона набухания, вследствие чего возможен подъем фундамента. Значит, увеличение передаваемого на грунт давления не устранит возможный подъем фундамента при замачивании. Вернее это мероприятие может оказаться эффективным лишь при отсутствии зоны набухания, т. е. при определенной толщине слоя набухающего грунта.

Варианты при проектировании

При проектировании сооружений на набухающих грунтах необходимо исходить из возможного замачивания грунта в пределах всей набухающей зоны, а расчет величины подъема следует производить исходя из этого положения. Это справедливо при замачивании грунта вследствие подъема уровня подземных вод и утечек воды (или иной жидкости) из трубопроводов. В этом случае возможны перечисленные ниже варианты устройства оснований и фундаментов, базирующиеся на выполнении условий, при которых подъемы сооружений будут меньше предельно допустимых для них.

  1. Прорезка фундаментами набухающих грунтов на такую глубину, при которой оставшийся слой грунта при замачивании вызывает подъем сооружения на допустимую величину. Этот вариант исходит из возможности изменять глубину заложения фундамента и давление по его подошве с тем, чтобы подобрать такие значения этих величин, при которых исключается появление недопустимых деформаций в сооружениях.
  2. Полная или частичная замена набухающего грунта другим, не поддающимся замачиванию. В этом случае по аналогии с первым вариантом допускается оставлять слой набухающего грунта, деформации которого при замачивании будут меньше предельных для данного сооружения.
  3. Применение свайных фундаментов, полностью или частично прорезающих набухающую толщу грунтов.
  4. Подготовка основания путем устройства песчаных компенсирующих подушек или применения предварительного замачивания грунта в основании.
  5. Подготовка основания на набухающих грунтах с применением конструктивных и водозащитных мероприятий. Последние устраняют возможность неравномерного замачивания грунта основания, а конструктивные мероприятия обеспечивают эксплуатационную пригодность сооружений при возможном набухании грунта основания.

Перечисленные варианты не исчерпывают всех способов устройства оснований и фундаментов сооружений на таких грунтах. Возможно сочетание тех или иных вариантов в зависимости от условий строительства, вида сооружений и особенностей технологического процесса, протекающего в данном здании. Например, целесообразно сочетание частичной замены набухающего грунта с применением водозащитных и конструктивных мероприятий.

При отсутствии замачивания грунта производственными и подземными водами деформации здания происходят при набухании грунта в результате накопления влаги в основании и сезонных изменений влажности. В первом случае следует предусматривать один из вариантов, приведенных выше. При этом необходимо иметь в виду два обстоятельства: 1) глубина зоны накопления влаги под сооружением принимается меньше набухающей толщи грунта и 2) неравномерность деформаций основания в этих условиях меньше, чем при замачивании производственными или атмосферными водами.

Если причиной деформации зданий будут являться сезонные изменения влажности, то наиболее надежным и оправданным методом строительства является прорезка зоны возможного изменения влажности свайными или обычными глубокими фундаментами (ленточными или столбчатыми).

Этапы проектирования

Проектирование оснований и обычных фундаментов на набухающих грунтах включает два основных этапа: 1) определение глубины заложения и размеров фундаментов; 2) назначение комплекса мероприятий, направленных на обеспечение устойчивости и эксплуатационной пригодности сооружений при их подъеме, вызванном набуханием. При выборе вариантов на втором этапе не исключается возможность изменения конструктивного решения фундаментов.

Первый этап

При назначении глубины заложения и размеров фундамента на первом этапе следует исходить из положений, принятых при проектировании на обычных глинистых грунтах. Так, глубина заложения назначается в зависимости от гидрогеологических условий площадки и климатических особенностей района, конструктивных особенностей возводимого здания, наличия подземных коммуникаций, вида фундамента под оборудование, передаваемых на грунт нагрузок, производственных возможностей строительной организации и т. д.

Однако одним из определяющих факторов при назначении глубины заложения является инженерно-геологическое строение площадки: характер напластования грунтов, расположение уровня подземных вод и т. д. При наличии набухающих глинистых грунтов эта задача упрощается, так как такие грунты, как правило, залегают слоем большой толщины и близко подходят к поверхности. В данном случае необходимо иметь в виду, что верхний слой набухающих грунтов может быть выветренным, т. е. представляющим собой отдельные куски глины.

Примером может служить хвалынская глина, верхний слой которой представлен в виде щебенки. В этом случае рекомендуется проходить такой слой и опирать подошву фундамента на сплошные, невыветренные слои набухающего грунта. В рассматриваемых глинах подземные воды отсутствуют, так как при наличии этих вод произошел бы процесс набухания и грунты не относились к набухающим.

При выборе глубины заложения фундаментов в набухающих грунтах должен учитываться новый фактор, определяемый спецификой этих грунтов, а именно, возможность появления деформаций, вызванных сезонным изменением влажности. Поэтому подошва фундаментов должна закладываться на такой глубине, при которой исключаются набухание и усадка при действующем по подошве фундамента давлении. Допускается уменьшать глубину заложения на такую величину, при которой подъем и осадка здания под действием деформаций (набухание—усадка) нижележащего грунта вследствие сезонных изменений- влажности будут допустимыми для данный конструкций.

Размеры фундамента при строительстве на набухающих грунтах определяются, как при строительстве на обычных глинистых грунтах. Согласно действующему СНиПу, среднее давление по подошве фундамента от нагрузок не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания.

Для определения расчетного сопротивления основания необходимо располагать значениями ip и с. При этом возникает вопрос: при каком состоянии грунта — природном или после набухания — должны определяться характеристики и с. Если в качестве исходного положения принята предпосылка о возможном замачивании всей набухающей толщи, то, казалось бы, необходимо определять исходные прочностные показатели для разуплотненного, набухшего грунта. Однако такой подход не отвечает природе процессов, протекающих при замачивании набухающих грунтов, являющихся основанием сооружений.

Как отмечалось ранее, грунт в основании проходит через ряд фаз деформаций. Первой является фаза уплотнения, обусловленная действием внешней нагрузки, т.е. эта фаза соответствует строительству и началу эксплуатации сооружений. В дальнейшем отмечается увеличение влажности, что приводит к возникновению следующей фазы. Однако характер деформаций, отвечающих этой фазе, во многом определяется действующей нагрузкой.

Так, если внешнее давление равно давлению набухания, то ожидать изменения плотности грунта не приходится, а при р < Psw в напряженной зоне произойдет разуплотнение грунта до такого состояния, при котором давление набухания будет уравновешиваться внешним давлением. В этом случае возможен подъем фундамента, величина которого дол иен а учитываться во втором этапе проектирования, т. е. при назначении необходимых строительных мероприятий. Следовательно, первая фаза отвечает работе грунта под действием внешней нагрузки, а вторая характеризует возможность проявления деформаций набухания под этой внешней нагрузкой. Поэтому определяющим фактором для назначения давления на набухающие грунты является условие работы грунта в первой фазе. Следовательно, при определении расчетного сопротивления основания должны использоваться значения и с, соответствующие природному состоянию набухающего грунта.

Необходимо иметь в виду, что при замачивании возможен подъем фундаментов, величина которого зависит, в частности, от передаваемого давления. В этих условиях крайне нежелательно, чтобы давление, по подошве фундамента распределялось неравномерно, так как это приведет к значительному крену фундамента и появлению дополнительных усилий, не учитываемых при проектировании. В связи с этим краевое давление по подошве внецентренно нагруженного фундамента не должно превышать 20 — 50 % давления на основание.

Второй этап

Второй этап проектирования фундаментов в условиях набухающих грунтов включает проектирование по второму предельному состоянию — по деформациям. Под предельным состоянием в данном случае следует подразумевать деформации основания, вызванные набуханием грунта, при которых конструкции здания достигают недопустимых пределов (т. е. конструкции имеют одно из двух предельных состояний). На этом этапе проектирования требуется определить возможную величину подъема hsw и сопоставить ее с предельной, для данного здания su.

Величина возможного подъема hsw зависит от ряда факторов. Расчет подъема фундамента, вызванного набуханием грунта, производится по расчетным нагрузкам. При этом учитываются основные сочетания нагрузок, включающие постоянные и временные длительные нагрузки. При учете последних следует иметь в виду, что нагрузки которые длительное время могут отсутствовать, не следует вводить в расчет, например, когда резервуары по технологии оказываются в течение 5 — 6 мес не заполненными, нагрузка от жидкости не учитывается. При расчете подъема такого сооружения учитываются только постоянные нагрузки (собственный вес сооружения). Предельные величины подъема различных сооружений приведены в СНиП 2.02.01-83.

Рассмотренные варианты предусматривают решения, позволяющие уменьшить возможный подъем либо увеличить допустимую величину подъема. Последнее может быть осуществлено при проведении конструктивных мероприятий, например при устройстве железобетонных поясов. Для их расчета необходимо определить усилия в стене, которые возникают при неравномерном подъеме здания. Поэтому для такого расчета следует располагать значениями возможного перегиба сооружения. В настоящее время неравномерность подъема при набухании грунтов может быть наиболее достоверно определена на основе данных наблюдений за деформациями зданий.