Подготовка основания из набухающих грунтов

Подготовка основания из набухающих грунтов

Эксплуатационная пригодность сооружений, возводимых на набухающих грунтах, может быть обеспечена не только устройством глубоких или свайных фундаментов, но и путем подготовки оснований и применением конструктивных и водозащитных мероприятий. Эти мероприятия следует предусматривать в случаях, когда использование набухающих грунтов в качестве основания может привести к появлению недопустимых деформаций конструкций, т. е. когда возможный подъем фундамента будет больше предельного для данного сооружения.

Подготовка основания на набухающих грунтах включает в себя в основном три метода:

  • устройство подушек из грунта, не обладающего свойствами набухания при замачивании;
  • применение компенсирующих подушек;
  • предварительное замачивание грунта основания.

При устройстве подушек производится замена набухающего грунта, что позволяет уменьшить подъем здания. Толщина по-душки назначается из расчета, чтобы подъем фундамента в результате набухания оставшегося слоя набухающих грунтов находился в допустимых пределах. Поэтому на практике следует осуществлять частичную замену набухающего грунта. В отдельных случаях толщина оставшегося слоя грунта определяется не из условий обеспечения устойчивости несущих конструкций здания, а из условий обеспечения нормальной эксплуатации оборудования, фундаменты которого опираются на грунтовую подушку.

Материалы и порядок работ

В качестве материала для устройства подушки могут применяться супеси и суглинки, а также глины; в отдельных случаях — песок или песчано-гравийная смесь. Грунтовая подушка может устраиваться в пределах всего здания или только под ленточным и столбчатым фундаментами.

Работы по устройству подушек ведутся в следующем порядке. Разрывается котлован на определенную глубину, после чего слоями отсыпается грунт и производится его уплотнение. В качестве уплотняющих механизмов могут использоваться бульдозеры, кулачковые или пневмокатки, падающие трамбовки из железобетона и т. д. Толщина слоя назначается в зависимости от применяемого механизма и может находиться в пределах 0,15 — 1 м. Грунт рекомендуется уплотнять при оптимальной влажности до плотности сухого грунта, равной 1,6 — 1,8 т/м3. Грунтовые подушки могут применяться для всех сооружений независимо от конструктивных особенностей и характера технологического процесса производства.

Компенсирующие подушки применяются для уменьшения возможной величины неравномерности подъема при локальном замачивании набухающих грунтов. Схема компенсирующей подушки и силы, действующие на песчаную подушку при набухании грунта.

На верхнюю грань подушки действует давление от фундамента р и обратной засыпки пазух q. При этом последнее в несколько раз меньше давления по подошве фундамента. На нижнюю плоскость песчаной подушки передается возникающее при замачивании давление, которое равно давлению набухания. В результате набухания грунта происходит подъем песка в месте действия наименьшего давления, т. е. под обратной засыпкой. Этому выпиранию песка способствует образование уплотненного ядра в подушке под действием нагрузки от фундамента.

При локальном замачивании может дополнительно возрастать давление от фундамента, что объясняется перераспределением напряжений в продольном направлении, обусловленном возможными местными подъемами фундамента. Таким образом, уплотненное ядро в подушке играет роль своеобразного клина, способствующего выпиранию песка при подъеме основания.

С целью изучения влияния на работу компенсирующей подушки ее высоты и ширины, плотности песка, передаваемого давления, гранулометрического состава песка и т. д. были проведены лабораторные и полевые эксперименты. Лабораторные опыты проводили в лотке размером 1000x1500x1000 мм. Лоток загружался песком, на поверхность которого устанавливали жесткий металлический штамп. Размеры штампа 150×1000 и 200×1000 мм. Набухание имитировалось подъемом расположенного под частью штампа днища размером 250×1500 мм. Подъем днища осуществлялся тремя винтовыми домкратами от электрического привода. Скорость подъема днища составляла 3,3 мм/ /мин.

Осадку и подъем штампа и днища измеряли прогибомерами с точностью до 0,1 мм. Усилия, передаваемые винтовыми домкратами на днище, фиксировались динамометрами сжатия ДС-5. Испытания проводились с песком средней крупности.

Эффективность работы подушки оценивалась по значению компенсационного коэффициента к, являющегося отношением подъема штампа к подъему днища. Последняя величина отражает подъем основания при набухании грунта. Очевидно, чем меньше подъем штампа, тем эффективнее работа подушки при набухании грунта. Отсюда следует, что чем меньше компенсационный коэффициент, тем больший эффект дает работа подушки.

Опыты по выявлению оптимальных размеров подушки проводились на песке, плотность которого в сухом состоянии равна 1,5 т/м3. Размеры подушки назначались в зависимости от ширины штампа и соответствовали: высота 7,5 — 37,5 см; ширина 27,5 — 64 см.

Зависимость коэффициента к от толщины подушки

При увеличении высоты подушки коэффициент к уменьшается, причем уменьшается быстрее, чем увеличивается отношение hp/b. Следовательно, целесообразно применять более высокие подушки. Однако начиная с определенного значения hp/b, коэффициент приближается к своему минимальному значению тем раньше, чем меньше высота подъема днища. Таким образом, существует определенный предел высоты подушки, после которого ее увеличение не дает существенного эффекта. Можно установить минимальную высоту, при которой эффект компенсации практически сводится к минимуму. Эта величина, как показывают проведенные опыты, равна 0,75 м.

Опыты проводились при постоянной толщине подушки, равной 300 мм, т. е. hp/b = 2. Очевидно, если ширина подушки равна ширине штампа (при hp/b = 1), то ее можно рассматривать как продолжение фундамента, и при подъеме основания штамп будет подниматься на такую же высоту. Только в начальный момент возможно отставание в подъеме штампа вследствие уплотнения песка. Однако этот подъем не имеет существенного значения, поэтому можно предположить, что при hp/b = 1 коэффициент к также равен единице.

С увеличением ширины подушки грунт выпирает за грани фундамента (в результате чего и происходит компенсация) и подъем последнего уменьшается. Поэтому при ширине подушки, примерно равной двойной ширине штампа, подъем его составляет 0,2 подъема днища. В результате исследований было установлено, что после достижения шириной подушки значения 3,5Ь дальнейшее увеличение ее ширины не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на подъем штампа. Минимальные значения ширины подушки, очевидно, будут соответствовать отношению hp/b = 1,5; при уменьшении этого отношения резко возрастает подъем штампа.