КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ

Естественные и искусственные основания

Основанием сооружения называется грунт, несущий все нагрузки от сооружения как в строительный, так и в эксплуатационный период времени.

Основания могут быть естественными и искусственными.

Естественным основанием называют толщу грунта, залегающую под фундаментом и воспринимающую нагрузку от зданий. Если же природный массив грунта не способен воспринимать нагрузку от намеченного к строительству объекта, то грунт заменяют, укрепляют или передают нагрузки на более глубинные слои с помощью инженерных средств (сваи, опускные колодцы и т.п.), и такие основания называют искусственными.

Искусственные основания — это такие, в которых несущая способность повышается различными способами; заменой слабых грунтов на более прочные (например, устройством подушки основания из песчаных или гравийных уступов либо введением специальных веществ, заполняющих поры и пустоты, связывающих частицы грунта, повышая его прочность и др.).

Естественные основания должны удовлетворять следующим требованиям:

  • • обладать небольшой и равномерной сжимаемостью, обеспечивающей равномерную осадку здания в допустимых для него пределах;
  • • иметь достаточную несущую способность;
  • • не подвергаться выщелачиванию грунтовыми водами;
  • • не подвергаться пучению (увеличению в объеме) при промерзании или располагаться ниже уровня промерзания;
  • • обладать неподвижностью.

Большое влияние на структуру, физическое состояние и механические свойства грунтов оказывают грунтовые воды, которые в большинстве случаев снижают несущую способность основания. При наличии в грунте легкорастворимых в воде веществ (например, гипса) возможно выщелачивание грунта, что влечет за собой увеличение пористости и возрастание опасных деформаций. Для борьбы с этим явлением искусственно понижают уровень грунтовых вод.

Влажность некоторых грунтов может оказаться причиной увеличения их объема при промерзании. Если грунт способен удерживать в своих порах воду, то он при замерзании вспучивается, так как вода при превращении в лед увеличивается в объеме. Весной при оттаивании грунт оседает. Пучение и оседание грунта могут вызвать неравномерную осадку здания и образование в нем трещин.

Неподвижность грунта основания связана с устойчивостью всего напластования. В строительной практике известны примеры, когда при наклонном расположении пластов грунта происходило скольжение одного пласта по другому. Такое скольжение (оползень) может увлечь за собой здание и привести к его разрушению. Борьба с оползнями представляет значительные трудности.

К естественным грунтам относятся следующие группы:

  • скальные грунты, залегающие в виде сплошного массива (граниты, кварциты, песчаники и т.п.), водоустойчивые, несжимаемые и при отсутствии трещин и пустот являющиеся наиболее прочными и надежными основаниями;
  • крупнообломочные грунты — несвязанные обломки скальных пород с преобладанием обломков размером более 2 мм (щебень, галька, дресва, гравий). Эти грунты, если они подстилаются плотным грунтом и не подвержены размыванию, являются хорошим основанием;
  • песчаные грунты — состоят из частиц крупностью от 0,1 до 2 мм. В зависимости от крупности частиц различают пески гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые. Песок, залегающий слоем равномерной плотности и достаточной мощности, если только он не подвергается размывающему действию текущей воды, представляет собой хорошее основание для сооружений. Чем крупнее и чище песок, тем большую нагрузку он может воспринять. Сжимаемость плотного песка невелика, а скорость уплотнения под нагрузкой значительна. Ввиду этого осадка сооружений, основанных на песке, быстро прекращается. Пески гравелистые, крупные и средней крупности имеют значительную водопроницаемость и поэтому не обладают свойством пучения при замерзании. Частицы грунта крупностью от 0,05 до 0,005 мм называются пылеватыми. Если в грунте пылеватых частиц больше, чем песчаных, то грунт получает название пылеватого. Содержание в грунте пылеватых частиц, как правило, ухудшает его строительные качества;
  • глинистые грунты — состоят из очень мелких частиц — крупностью меньше 0,005 мм, имеющих обычно чешуйчатую форму. В отличие от песчаных грунтов, глины имеют тонкие капилляры и большую удельную поверхность соприкасания между частицами. Капиллярные силы всасывают воду, которая заполняет все поры глины и образует тонкие водно-коллоидные пленки, обволакивающие частицы скелета. Благодаря этому создается взаимное притяжение частиц, обуславливающее связность глинистого грунта. При промерзании глина пучится, так как поры ее в большинстве случаев заполнены водой. Сжимаемость глинистых грунтов больше, чем песчаных, а скорость уплотнения под нагрузкой у глин значительно меньше, чем у песка, поэтому осадка сооружений, основанных на глине, продолжается длительное время.

Несущая способность глинистого основания в значительной степени зависит от его влажности. Сухая глина может выдерживать довольно большую нагрузку, тогда как нормативное давление глины в пластичном и особенно в разжиженном состоянии значительно снижается.

Глинистые грунты с песчаными прослойками (ленточные глины) легко разжижаются и поэтому обладают очень небольшой несущей способностью;

суглинки и супеси представляют собой смесь песка, глины и пылеватых частиц. Суглинки содержат от 10 до 30% глинистых частиц, супеси — от 3 до 10%. По своим свойствам эти грунты занимают промежуточное положение между глиной и песком.

Некоторые разновидности супесей и других мелкозернистых грунтов, разжиженных водой, становятся настолько подвижными, что текут как жидкость, поэтому они получили название плывунов. Плывуны вследствие своей подвижности и незначительной несущей способности малопригодны для использования в качестве оснований;

лёсс относится к группе пылеватых суглинков. Характерным его признаком является наличие крупных пор (макропор), иногда — в виде вертикальных трубочек. В сухом состоянии лёсс способен образовывать вертикальные откосы и может служить хорошим основанием, но при замачивании водой он размокает и при этом уплотняется, образуя просадки. Поэтому лёссовые (макропористые) грунты называют просадочными. При выборе лёсса в качестве основания принимают меры, устраняющие возможность его замачивания.

Грунты с органическими примесями (растительный грунт, ил, торф, болотный грунт) неоднородны по своему составу, рыхлы, обладают значительной и неравномерной сжимаемостью и поэтому в качестве естественных оснований непригодны;

насыпные грунты, образованные искусственно при засыпке оврагов, прудов, мест свалки и пр., также обладают свойством неравномерной сжимаемости и в большинстве случаев не могут быть использованы в качестве естественного основания. Исключение составляют рефулированные насыпные грунты, которые являются хорошим основанием.

Рефулированием называется перекачка землесосом (рефулером) разжиженного грунта по трубам.

Нормативным давлением на основание называется среднее давление по подошве фундамента, при котором по его краям образуются зоны пластических деформаций основания глубиной, равной ‘/4 ширины фундамента.

Строительными нормами и правилами установлены следующие нормативные давления на основания при глубине заложения от 1 до 2,5 м и ширине подошвы фундамента от 0,6 до 1,5 м:

  • • глинистые грунты — от 0,2 до 0,25 мН/м2 в зависимости от влажности и пористости;
  • • пески — от 0,2 до 0,45 мН/м2 в зависимости от крупности частиц, влажности и плотности;
  • • супеси — от 0,15 до 0,30 мН/м2 в зависимости от влажности и плотности;
  • • суглинки — от 0,1 до 0,5 мН/м2 в зависимости от влажности и пористости;
  • • крупнообломочные грунты — от 0,3 до 0,6 мН/м2 в зависимости от крупности частиц.

Под несущей способностью основания понимается нагрузка, после превышения которой в нем возникают опасные для сооружения деформации и недопустимые перемещения.

Характер деформации грунтов основания под воздействием на него возрастающей нагрузки меняется. Принято различать три фазы деформации основания.

В начальной (первой) фазе, называемой фазой уплотнения грунта, осадка основания обуславливается уменьшением размеров пор грунта, расположенного под фундаментом, т.е. уплотнением этого грунта. Для этой фазы характерно, что касательные напряжения для всех площадок, проходящих через любые точки основания, удовлетворяют условию, когда в основании не возникают сдвиги.

При увеличении нагрузки в точках основания, расположенных у краев подошвы фундамента (точки / на рис. 11.1, а), возникают сдвиги. С этого момента начинается вторая фаза деформации основания, называемая фазой сдвига. Сдвиги по мере увеличения нагрузки захватывают все большие области, которые называют областями предельного равновесия (области 1 на рис. 11.1, в). Непосредственно под фундаментом образуется уплотненное ядро грунта в форме клина, в пределах которого сдвиги не происходят. Во второй фазе осадка основания обуславливается не только уплотнением грунта, расположенного под фундаментом, но и его смещениями в стороны. Давление р по подошве фундамента, соответствующее началу второй фазы деформации основания, называют предельным краевым давлением рг).

При дальнейшем увеличении сжимающей нагрузки образовавшееся под фундаментом уплотненное грунтовое ядро 2 (см. рис. 11.1), перемещаясь вниз, расклинивает окружающий грунт и сдвигает его по поверхностям скольжения в стороны и вверх. Основание оказывается разрушенным. Процесс разрушения основания относят к третьей фазе деформации — фазе выпирания. Давление р по подошве фундамента, соответствующее началу третьей фазы деформации, называют предельным давлением и обозначают Рц.

Фазы деформации основания

Рис. 11.1. Фазы деформации основания:

а — конец фазы уплотнения; б — фаза сдвигов; в — фаза выпирания; 7 — области предельного равновесия; 2 — уплотненное ядро

В тех случаях, когда прочность грунтов природного состояния недостаточна, устраивают искусственные основания путем повышения несущей способности грунтов, что осуществляется различными способами. Вопрос о выборе того или иного способа решают в зависимости от класса здания и заданной его долговечности, вида грунтов и гидрогеологических особенностей площадки, методов производства работ, иными словами — на основе технико-экономических расчетов.

Распространенный способ повышения несущей способности основания — замена слабых грунтов на более прочные путем устройства подушек — оснований из песчаных или гравийных грунтов. В этом случае подушка, воспринимающая нагрузку от фундамента, передает ее на более прочные нижележащие слои грунта. При этом удельное давление уменьшается, т.е. нагрузка распределяется на большую площадь. При устройстве подушек песок и гравий укладывают слоями, каждый слой уплотняют трамбованием или вибрированием.

При трамбовании грунт уплотняют на глубину 1,5...2 м и несущая способность основания может увеличиться на 25—30%.

Вибрационное уплотнение песчаных грунтов производят при помощи виброплощадок (поверхностное уплотнение) на глубину до 70—100 см или с помощью вибробулав (глубинное уплотнение). Размеры подушек можно уменьшить устройством шпунтового ограждения, которое предотвращает боковые перемещения грунта и снижает осадку.

Для закрепления грунтов в них вводят специальные вещества, заполняющие поры и пустоты и связывающие частицы грунтов, благодаря чему повышается их прочность.

Цементация грунта оснований заключается в нагнетании в грунт цементного молока или жидкого цементного раствора. После затвердевания цемента прочность грунта значительно возрастает, образуется надежное основание. Особенно эффективно цементировать средне- и крупнозернистые пески и крупнозернистые пески и крупнообломочные грунты.

Нагнетают цементный раствор в грунт через металлические трубы диаметром 19—38 мм, имеющие внизу конические наконечники и отверстия. Трубы погружают в грунт забивкой, а при большой глубине — в предварительно пробуренные скважины.

Силикатизация грунтов, аналогичная их цементации, состоит в нагнетании в грунт растворов жидкого стекла Na20 — nSi02 и хлористого кальция СаС12. При их взаимодействии образуется гель кремниевой кислоты Si02, закрепляющий грунт. Для силикатизации плывунов применяют слабые растворы фосфорной кислоты Н3Р04 с добавлением жидкого стекла. Кроме геля кремниевой кислоты, в грунте образуются соли фосфорнокислого натрия Na2HP04, закрепляющие грунт.

В последнее время начали закреплять грунты полимерами. В качестве закрепителя используют растворы соляной кислоты, карбамидные или другие полимеры. Прочность грунтов после такого закрепления может превысить 30—50 кгс/см2 при нормативной прочности 3—5 кгс/см2.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >