Введение
На территориях, сложенных лессовыми просадочными грунтами, ведется интенсивное промышленное и гражданское строительство. Однако именно при строительстве на лессовых просадочных грунтах произошло большое количество аварий, как в процессе строительства, так и при эксплуатации сооружений.
Аварии носят массовый характер. Так, например, на Украине при повышении уровня подземных вод в г. Одесса в Таировском микрорайоне деформировались в течение месяца зданий (одно здание было разобрано). В результате подъема уровня подземных вод произошли деформации многих промышленных цехов на заводе «Запорожсталь», Никопольском трубном заводе, Новокузнецком металлургическом заводе, на Кемеровском химическом комбинате, на заводе «Атоммаш» (г. Волгодонск) и во многих других районах России и стран СНГ.
В связи с тем, что изыскания, проектирование и строительство на лессовых просадочных грунтах проводились без учета их специфических свойств, допускались массовые ошибки, что приводило к авариям зданий.
В результате подъема уровня подземных вод большие территории с маловлажными лессовыми просадочными грунтами стали в настоящее время водонасыщенными лессовыми грунтами. В связи с тем, что подъем уровня подземных вод во многих местах был связан с утечками из инженерных коммуникаций, в основаниях вновь строящихся сооружений оказались лессовые водонасыщенные грунты и грунты, насыщенные кислыми и щелочными растворами.
В ближайшее время планируется массовая реконструкция промышленных зданий, и во многих случаях вновь строящиеся здания будут иметь фундаменты, расположенные на водонасыщенных лессовых грунтах и на грунтах, насыщенных кислыми и щелочными растворами. Этот вопрос практически не изучался, первый опыт использования таких грунтов в качестве основания привел к аварии.
В сложных инженерно-геологических условиях, к которым относятся лессовые водонасыщенные грунты, стоимость устройства оснований и фундаментов составляет 20% от стоимости строительства для промышленных и гражданских сооружений. Основные проблемы фундаментостроения состоят в разработке новых теоретических, конструктивных и технологических решений, которые позволяют сократить расходы металла, цемента и трудозатраты при максимальном использовании несущей способности грунтовых оснований. Эти же проблемы существуют и при строительстве систем инженерных коммуникаций.
Водонесущие коммуникации при неудовлетворительном состоянии оказывают значительное влияние на техногенную структуру территорий. Сопровождающаяся большими потерями воды эксплуатация трубопроводов приводит к подтоплениям территорий, подвальных помещений в связи с подъемом уровня грунтовых вод, что создает угрозу аварийного повреждения, как самих коммуникаций, так и близ расположенных зданий и сооружений.
Анализ функционального, технического и санитарного состояния водонесущих трубопроводов свидетельствует о наблюдающимся в последние годы резком снижении этих показателей. Из ныне действующих водонесущих трубопроводов коммунального назначения общей протяженностью более 700 тыс. км, не менее 350 тыс.
км служит свыше 30 лет, т.е. более расчетного срока, а около 50 тыс. км находится в аварийном или близком к нему состоянии.
На водопроводных сетях в городах Российской Федерации ежегодно возникают не менее 1 аварии на 1-2 км сети с разгерметизацией труб.
В процессе деформации разрушаются стыковые соединения трубопровода, нарушается целостность труб, увеличиваются утечки воды, что, в свою очередь, вызывает увеличение просадок лессовых грунтов, залегающих в основании сетей и сооружений. В процессе поступления воды в основание и увеличения просадок возрастают деформации на сетях, вызывая дальнейшее увеличение утечек воды в основание и ухудшая состояние сетей.
Несмотря на то, что установлены основные закономерности проявления просадочных деформаций грунтов в основаниях сооружений, до настоящего времени наблюдаются аварии и деформации зданий, сооружений и инженерных коммуникаций. Эти аварии и деформации происходят в основном в результате ошибок, допущенных в ходе выполнения инженерно-геологических изысканий, на стадии разработки проектов, при производстве строительно-монтажных работ и в период эксплуатации сооружений.
Деформации и аварии сооружений начинаются с проявления неравномерных просадочных деформаций грунтов оснований в результате их замачивания утечками из систем водоснабжения, водоотведения и технологических трубопроводов, по которым транспортируются вода, сточные воды и технологические растворы различной концентрации и химического состава.
Исследования последних лет по изучению прочностных и деформационных свойств лессовых просадочных грунтов показали, что величина просадки существенно зависит от химического состава раствора, которым производится замачивание этих грунтов.
Как показали исследования, многочисленные аварии гражданских и промышленных сооружений на просадочных лессовых грунтах произошли в связи с попаданием растворов сточных вод и технологических жидкостей различного химического состава в просадочные грунты оснований сооружений и инженерных коммуникаций.
До настоящего времени для инженерных коммуникаций применяются трубы из разных материалов с различными конструкциями стыков, многие из которых не приспособлены для эксплуатации в просадочных лессовых грунтах. Кроме того и методы производства работ по устройству трубопроводов инженерных коммуникаций не всегда учитывают специфических свойств лессовых просадочных грунтов, что впоследствии может явиться причиной деформации сооружений.
С учетом изложенного выше можно сказать, что проблема обеспечения эксплуатационной пригодности зданий, сооружений и инженерных коммуникаций на лессовых просадочных грунтах при возможных, а в некоторых случаях и неизбежных неравномерных просадочных деформациях грунтов при утечках воды, стоков и технологических растворов, является актуальной.
В соответствии с этим целью научно-исследовательской работы является разработка всего комплекса требований и правил к инженерно-геологическим изысканиям, проектированию, строительству и эксплуатации зданий и сооружений и инженерных коммуникаций на лессовых просадочных грунтах при возможности их замачивания водой, сточными водами и технологическими растворами.
Для достижения этой цели необходимо было решение следующих задач:
1. Провести анализ результатов исследований по изучению особых свойств лессовых просадочных грунтов.
2. Изучить особенности проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах.
3. Провести анализ методов устройства искусственных оснований зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах.
4. Установить основные причины аварий зданий и сооружений и инженерных коммуникаций на лессовых просадочных грунтах.
5. Проанализировать результаты исследований по изучению изменения физических и механических свойств лессовых просадочных грунтов при замачивании растворами различного химического состава.
6. Выполнить лабораторные исследования изменения физических и механических свойств лессовых просадочных грунтов при замачивании их растворами различного химического состава.
7. Исследовать физико-механические характеристики лессовых просадочных грунтов при замачивании водой и растворами щелочи и кислоты в полевых условиях.
8. Исследовать особенности развития просадок грунтов в основаниях инженерных коммуникаций.
9. Провести изучение особенностей устройства систем инженерных коммуникаций на лессовых просадочных грунтах.
10. Выполнить лабораторные исследования кольматации песков искусственных оснований зданий и сооружений, построенных на лессовых просадочных грунтах.
11. Разработать требования и правила по проведению инженерногеологических изысканий, проектированию, строительству и эксплуатации зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах, замоченных сточными водами.
Индивидуальность и новые решения работы состоят в том, что в результате лабораторных и полевых исследований установлены закономерности изменения деформационных, прочностных и фильтрационных свойств лессовых просадочных грунтов в зависимости от их минералогического состава, типа грунтовых условий по просадочности, условий нагружения и химического состава сточных вод и технологических жидкостей.
В результате проведения полевых исследований изменения деформационных и прочностных характеристик при замачивании лессовых просадочных грунтов II типа установлены закономерности развития этих характеристик по глубине. Установлены закономерности кольматации песков в искусственных основаниях при насыщении лессовых просадочных грунтов сточными водами. Разработаны эффективные методы устройства оснований трубопроводов инженерных коммуникаций на лессовых просадочных грунтах.
При внедрении в производство данной работы важно то, что на основе выполненных работ предложены новые предельные значения осадок грунтов в основаниях трубопроводов, учитываемые в расчетах прочности трубопроводов при неравномерных осадках. Разработаны эффективные методы устройства оснований трубопроводов инженерных коммуникаций, расположенных на лессовых просадочных грунтах с учетом современных технологий.
Основные положения научно-исследовательской работы были доложены на научных конференциях в МГСУ, ГАСИС и во многих других научных учреждений г.Москвы.
Основные результаты научных исследований внедрены при ремонте и реконструкции ряда деформированных промышленных и гражданских зданий в г.
Москве, Таш-Кумыре (Кыргызстан), Запорожье (Украина), которые сейчас успешно эксплуатируются, а также при разработке проектов строительства инженерных коммуникаций промышленных предприятий на площадках с лессовыми просадочными грунтами.
Основное содержание выполненных научных исследований по данной работе изложено в 33 работах автора, в том числе в 2-х учебных пособиях и одной монографии.
Научно-исследовательская работа состоит из введения, 8 разделов, заключения, списка использованных источников, имеющий 309 наименований и приложения.
Общий объем научно-исследовательской работы 340 страниц, в т.ч. 315 страниц машинописного текста, 26 рисунков и 7 таблиц.
К основным ценностям относятся следующие положения научныхисследований:
1. Результаты анализа исследований по установлению основных причин потери эксплуатационной пригодности различных трубопроводов в результате неравномерных просадок грунтов в их основаниях из-за утечек воды и растворов различного химического состава.
2. Результаты теоретических, лабораторных и полевых исследований изменения деформационных, прочностных и фильтрационных свойств лессовых просадочных грунтов при замачивании их растворами различного химического состава.
3. Методика проведения полевых исследований изменения деформационных, прочностных и фильтрационных свойств лессовых просадочных грунтов при замачивании их растворами щелочей и кислот.
4. Результаты исследования технологий устройства различных видов трубопроводов из разных материалов и установленные при этом основные технологические ошибки, приводящие к разрушению трубопроводов и утечкам транспортируемых жидкостей.
5. Рекомендации по проведению инженерно-геологических исследований, проектированию, строительству, эксплуатации зданий и сооружений и инженерных коммуникаций на лессовых просадочных грунтах, частично или полностью замоченных водой и растворами различного химического состава.
1 Анализ исследований особых свойств лессовых просадочных грунтов, проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах Первой работой, в которой описаны лессовые отложения в районе р. Дона, является исследование Н.Д.
Борисяка, опубликованное в 1867 г., Генетическую классификацию лессовых пород впервые предложил А.П.Павлов в 1903 г. В этом же году были впервые зарегистрированы просадки дамбы железнодорожного пути Оренбург Ташкент, которые произошли в результате обводнения паводковыми водами р. Сырдарьи. По данным А.К.
В начале XX в. были выполнены весьма интересные исследования лессовых пород Сибири в связи со строительством железных дорог. Описание просадочных деформаций оросительных каналов, расположенных на большой толще лессовых грунтов, было приведено в 20-х годах В.А.Пышкиным по результатам наблюдения в Голодной степи и П.Е.Хеладзе по результатам обследования каналов в Закавказье.
Впервые описание деформаций жилых сооружений на просадочных грунтах было сделано Б.П.Михеевым в 1930 г. на основе обследования домов в г. Грозном.
Б.П.Михеев считал, что деформация произошла в результате повышения сжимаемости лессового грунта при водонасыщении [9].
В 1930 г. Ю.М.Абелев провел испытания покровных макропористых суглинков опытными штампами. При этом замачивание грунтов в основании штампов осуществлялось после полной стабилизации осадки при данном давлении. Эти опыты впервые установили явление просадки, которая выразилась в дополнительной осадке штампов при замачивании основания.
Ранее это явление строителям не было известно. Наблюдения за просадкой во времени при замачивании грунта показали, что описанные выше различными авторами деформации являются следствием особенностей физико-механических свойств лессовых и других аналогичных им по структуре макропористых грунтов.
Первые опыты по изучению особенностей свойств лессовых грунтов в качестве основания сооружения показали, что в действительности строительные свойства этой разновидности грунтов прямо противоположны тем, что приводились в литературе. Лессовые грунты оказались водопроницаемыми, они легко переходят в текучее состояние и т.п.
Одновременно с изучением проблем строительства на просадочных грунтах проводились большие геологические исследования лессовых грунтов. Были описаны районы распространения лессовых грунтов и изучена геологическая картина формирования пород. В ряде работ 1930-1932 гг. приводятся результаты наблюдений за образованием степных блюдец.
Вопросам изучения свойств лессовых грунтов в Средней Азии в 30-х г. посвящены работы Е.А.Замарина и М.М.Решеткина. В этих работах приводятся данные о морфологии лессов, их химическом составе, отмечается большая роль суффозионных и карстовых явлений в процессе изменения свойств лессов [9].
В 1930-1933 гг. под руководством Ю.М.Абелева были проведены исследования строительных свойств лессовых грунтов Кузбасса, Украины и других регионов и разрабатывались методы строительства жилых зданий и промышленных сооружений на просадочных грунтах. В дальнейшем эти методы были включены во «Временные технические условия проектирования и строительства на макропористых (лессовых) грунтах».
Р.А.Токарем вносится предложение классифицировать лессовидные грунты не по их происхождению, являющемуся спорным, а по характерной для них макроструктуре.
В результате многочисленных исследований в различных регионах бывшего СССР были разработаны методы строительства гражданских зданий и промышленных сооружений на просадочных грунтах, включенные в 1934 г. в «Технические условия проектирования и строительства на макропористых (лессовых) грунтах».
В 1947-1948 гг. были подготовлены «Нормы проектирования и технические условия на производство и приемку общестроительных и специальных работ». Ученые В.С.Гвоздев, Е.А.Замарин, Ф.И.Воронов, Н.Я.Денисов. А.Л.Рубинштейн и др. провели большую работу по изучению просадочных явлений на ирригационных системах. Л.Г.Бадаев, Л.Н.Ломизе и А.А.
Глазь исследовали влияние на процессы просадки длительной фильтрации в каналах ирригационных систем, а А.Н.Озерецкий, В.С.Шаров, И.В.Попов, Л.К.Танкаева, Е.М.Талдыкина и Л.А.Стрюковский — влияние на величину просадки химического состава растворов воды. В 50-х гг.
М.Н.Гольдштейн, Г.М.Ломизе и их сотрудники изучали явления просадки в трехосных приборах при сложном напряженном состоянии. М.Н.Гольдштейн и Я.Л.Коган впервые провели лабораторные исследования изменения сопротивления сдвигу микропористых грунтов в процессе просадки.
Большие работы по изучению динамических свойств лессовых грунтов проведены А.А.Мусаэляном, X.3.Рассуловым и др. Изучение свойств макропористых лессовых грунтов при обводнении были проведены в МГСУ (М.Ю.Абелев, И.Г.Тахиров, В.А.Ивахнюк и др.).
Методы строительства на макропористых просадочных грунтах в основном разработаны проф. Ю.М.Абелевым и его учениками — В.Б.Швецом. В.И.Крутовым, В.Г.Галицким, А.М.Дондышем, И.Г.Рабиновичем, Р.П.Эйдуком и др., а также И. М.
Литвиновым, Н.А.Осташовым, В.В.Аскалоновым, В.Е.Соколовичем и др.
В последние годы большие исследовательские работы по вопросам исследования свойств грунтов оснований и фундаментов и по проблемам строительства в сложных грунтовых условиях, в том числе на площадках с лессовыми просадочными грунтами, проводили следующие ученые: Е.А.Сорочан, А.А.Григорян, Ю.А.Багдасаров, З.Г.Тер-Мартиросян, Р.С.Зиангиров, П.А.Коновалов, Ю.К.Зарецкий, А.Л.Крыжановский и др.
1.1 Происхождение лессовых просадочных грунтов и их распространение на территории Евразии и Северной Африки Все лессовые макропористые грунты в основном имеют эоловое происхождение. Однако грунты с макропористой структурой могут относиться к делювиальным, аллювиальным, пролювиальным и элювиальным отложениям.
Размеры и формы макропор очень разнообразны. По мнению многих исследователей (И.И.Трофимов, А.К.Ларионов, В.П.Ананьев и др.), макропоры образовались в результате различных причин, и именно это определяет образование и размер макропор и их формы. Имеется много гипотез происхождения макропористых лессовых просадочных грунтов. Наиболее распространены эоловая гипотеза В.А.Обручева и др. [9], почвенная гипотеза Л.С.Берга и др. [128].
Научные исследования, выполненные в различных государствах, показали, что существенную роль при образовании рыхлых макропористых структур играют глинистые частицы. В результате высыхания глинистых цементов, которые соединяли пылеватые частицы между собой, возникли рыхлые структуры в грунтах.
Их удавалось разрушить в компрессионных приборах часто при давлениях, больших 0, МПа, и при одновременном замачивании. Итак, макропористая структура в глинистых грунтах образуется как в процессе генезиса в условиях сухого климата, так и в процессе диагенеза.
Как показали многочисленные исследования [9, 11, 21, 29, 128], проведенные в различных районах государств СНГ, Болгарии, Венгрии, Китае, США, Румынии и др., именно макропористая структура в основном определяет свойства просадочности лессовых просадочных грунтов при их замачивании под нагрузкой.
Площадь распространения макропористых лессовых грунтов на земном шаре составляет около 13 млн. кв. км, что составляет примерно 10% суши. Лессовые грунты на земном шаре расположены двумя полосами, расположенными между 30северной широты и южной широты.
Большие территории, занятые лессовыми грунтами, находятся в СНГ, Китае, Афганистане, США, Аргентине, Австрии, Северной Африке и во многих других странах мира. В бывшем СССР, в связи с быстрым освоением новых территорий и промышленных районов, проводились большие исследования по изучению мест распространения и особых свойств лессовых грунтов. Уже к 1932 г. были готовы основные данные по распространению лессовых грунтов на европейской территории СССР [9, 23, 29, 51, 112].
К лессовым равнинам относятся территории плоских водоразделов, их склонов, надпойменных террас рек, осложненные оврагами, балками, промоинами, блюдцеобразными понижениями, подами и др. Грунтовые воды обычно залегают глубоко, нередко отмечается образование верховодки на различных глубинах.
Лессовые равнины характеризуются покровным залеганием лессовых грунтов. На Русской платформе эти грунты простираются до 56° северной широты, севернее наблюдается лишь редкое локальное распространение маломощных непросадочных лессовидных грунтов в соответствии с рисунком 1.1.
Лессовые грунты (лессы и лессовидные грунты) относятся к континентальным субаэральным отложениям, принос материала для образования которых в каждой области считается различным (золовый, делювиальный, пролювиальный, аллювиальный, элювиально-делювиальный и смешанный – аллювиально-пролювиальный, делювиально-пролювиальный и др.).
В мощных толщах лессовых грунтов просадочность проявляют обычно грунты верхних горизонтов. Мощность просадочной толщи изменяется в широких пределах – от 5 до 30 м, а в отдельных районах и до 40 м.
1- лессы и лессовидные грунты большой мощности (10-80 м), дающие просадки под собственным весом (II тип грунтовых условий по просадочности, реже I тип); 2 лессовидные грунты и лессы мощные (5-30 м), дающие значительные просадочные деформации при дополнительных нагрузках (I тип, иногда II тип);
3 – лессовые грунты (преимущественно лессовидные) средней мощности (чаще 5 -10 м), дающие незначительные просадочные деформации при дополнительных нагрузках (I тип, непросадочные); 4 – лессовидные грунты прерывистого распространения маломощные (до 3-5м);
I тип и непросадочные); 5 а – лессовидные грунты изменчивой мощности прерывистого распространения, неоднородные по просадочности (чаще I тип, реже II тип и непросадочные); 5 б – то же, островного распространения; 6 – лессовидные грунты прерывистого и островного распространения, маломощные, реже изменчивой мощности (непросадочные, реже I тип);
Рисунок 1.1 – Схема распространения просадочных лессовых грунтов на территории СНГ (по B.C. Быковой и В.С.Журавлевой).
Территории развития лессовых грунтов относятся к I и II типам грунтовых условий по просадочности (по СНиП 2.02.01-83).
В районах развития лессовых грунтов, относящихся ко II типу грунтовых условий, при избыточном увлажнении и замачивании возникают значительные просадки при природном давлении. Вертикальные смещения поверхности земли в этих случаях достигают 0,5-1 м и более.
1.2 Исследование особых свойств лессовых просадочных грунтов, особенности строительства зданий и сооружений на этих грунтах 1.2.1 Физические свойства лессовых просадочных грунтов Изучению физических свойств лессовых просадочных грунтов посвящено много научных исследований [2, 4, 9, 22, 66, 67, 75, 76, 238, 239].
На основании этих исследований установлено, что удельный вес частиц лессовых грунтов изменяется в широких пределах в зависимости от минералогического состава. Величина удельного веса частиц колеблется от 2,51 до 2,84 г/см3, а для большинства лессовых грунтов равнинных районов – в пределах 2,62-2,70 г/см3.
В общем, удельный вес макропористых лессовых грунтов изменяется в пределах от 1,28 до 2,11 г/см3. Еще в 1930-х годах проф. Ю.М.Абелевым [9] было установлено, что удельный вес лессовых грунтов не является достоверной характеристикой механических свойств этих грунтов, так как его величина существенно зависит от влажности этого грунта.
В связи с эти было предложено в качестве физической характеристики плотности лессового грунта использовать величину удельного веса сухого грунта. Многими видными учеными было установлено, что величина удельного веса сухого грунта макропористых лессовых грунтов однозначно определяет вероятную просадочность лессового грунта (“косвенный признак” по Ю.М.Абелеву).
Макропористые лессовые грунты, которые характеризуются величиной удельного веса сухого грунта менее 1,55 г/см3 и залегают выше подземных вод, обычно являются просадочными. Величина удельного веса сухого грунта макропористых лессовых грунтов естественного залегания изменяется в пределах от 1,88 до 1,89 г/см3.
Это объясняется различным содержанием макропор в грунтах и степенью засоленности лессовых грунтов. В зависимости от гидрогеологических условий площадок влажность лессовых просадочных грунтов также изменяется в очень широких пределах. В большинстве случаев макропористые лессовые и лессовидные грунты характеризуются малой влажностью, которая изменяется в пределах от 6 до 11%.
В некоторых местах в зависимости от уровня подземных вод влажность лессовых просадочных грунтов может быть на 5-7% выше по сравнению с природной влажностью таких же грунтов на аналогичных участках. Влажность верхних слоев лессовидных толщ на глубине до 3 м существенно изменяется в зависимости от времени года и от атмосферных осадков.
Для лессовых и лессовидных грунтов значения пористости могут служить косвенной оценкой вероятности проявления просадочных свойств, а также прочностных и деформативных свойств. Для макропористых лессовых грунтов характерно наличие макропор, которые достигают нескольких миллиметров в диаметре.
По данным исследователей В.П.Ананьева, А.К.Ларионова и др. [21, 22, 23, 139], макропоры составляют 6-8% общего объема пор. Суммарная пористость лессовых грунтов равна 30-66%. Для большинства лессовых и лессовидных суглинков пористость изменяется в пределах 45-54% [23, 140, 142, 143, 148, 182, 183].
Границы пластичности – влажность на границе раскатывания и на границе текучести – являются характеристиками химического состава грунтов, минералогического и гранулометрического составов грунтов, но не являются характеристикой деформируемости или прочности грунтов с ненарушенной структурой.
Границы пластичности являются количественной оценкой для грунтов с нарушенной структурой. Влажность на границе раскатывания лессовых грунтов действительно является границей, при достижении которой наблюдается резкое снижение сопротивления сдвигу грунтов и повышение модуля общей деформации грунтов.
Значение влажности на границе раскатывания для лессов обычно находится в пределах 12-18%, а чаще всего составляют 14-18%. Для лессовидных суглинков влажность на границе раскатывания изменяется в пределах 14-26%. Величина влажности на границе текучести для лессов изменяется в основном от 22 до 24%.
1.2.2 Деформативные характеристики лессовых просадочных грунтов При расчете фундаментов зданий и сооружений по предельным состояниям на макропористых лессовых грунтах (по деформациям) используются деформативные показатели макропористых грунтов. Для большинства зданий и сооружений при расчете оснований и фундаментов необходимо иметь характеристики деформируемости грунтов при естественной влажности при замачивании и после замачивания [2, 3, 9, 21, 26, 31, 54, 61, 70, 127, 128].
При этом необходимо знать два параметра грунтового основания, если предположить, что оно сложено из однородных изотропных макропористых лессовых грунтов: модуль общей деформации грунта Е о (линейный модуль) и коэффициент бокового расширения грунта (µ) (типа коэффициента Пуассона).
Вместо этих параметров грунта можно определить модуль объемной деформации грунта, модуль сдвига, а вместо коэффициента бокового расширения – коэффициент бокового давления грунта. Для расчетов деформации грунтового основания из лессовых просадочных грунтов используется – значение линейного модуля вертикальной деформации грунта – модуль общей деформации Е о, который определяется в лабораторных или полевых условиях такими же методиками, что и для других глинистых грунтов с помощью компрессионных приборов (конструкции Гидропроекта) или жестких штампов площадью 5000-10000 см2 в шурфах (или в скважинах площадью 600 см2) [9, 28, 129, 132, 152, 154].
Исследованиями было установлено, что значение модуля общей деформации просадочных лессовых грунтов существенно меняется при изменении их влажности.
Результаты исследования толщи макропористых лессовидных суглинков большими штампами (площадью 5000 кв. см и более) для различных значений влажности и пористости позволили установить изменяемость модуля общей деформации при изменении влажности. При изменении влажности грунта от 6 до 30% модуль общей деформации изменяется от 32 до 4,5 МПа.
На основании большого количества опытов установлено, что по результатам лабораторных и полевых исследований получаются различные значения модуля общей деформации для одних и тех же грунтов одинаковой влажности [9]. Поэтому при проектировании оснований и фундаментов ответственных сооружений проводятся полевые исследования грунтов для определения значений модуля общей деформации лессовых грунтов при естественной влажности и при водонасыщенном состоянии.
Исследования деформационных характеристик водонасыщенных макропористых лессовых грунтов, то есть когда 80% пор или более заполнены водой, показали, что водонасыщенные лессовые грунты могут характеризоваться теми же закономерностями, как и другие водонасыщенные глинистые грунты.
Цифра 80% принята в качестве критерия водонасыщенных лессовых грунтов, потому что, как показали многочисленные опыты, проведенные Ларионовым А.К [139, 140], Н.И.Кригерем [126, 127], А.А.Ананьевым [21, 22, 23] и др., в большинстве лессов и лессовидных суглинков от 8 до 20% пор являются замкнутыми и в обычных условиях в эти поры не попадает вода.
В качестве расчетной характеристики просадочных свойств лессовых грунтов оснований Ю.М.Абелев (1934 г.) предложил характеристику “относительную просадочность грунта”. Эта величина показывает, насколько увеличится относительная дополнительная осадка при замачивании грунта под нагрузкой.
Однако оказалось, что величина относительной просадочности не является постоянной величиной для одних и тех же лессовых просадочных грунтов, а существенно зависит от величины вертикального давления, приложенного к образцу лессового грунта в компрессионном приборе. Специальные исследования, проведенные под руководством проф.
Ю.М.Абелева в 1932-1947 гг., показали, что с увеличением давления до 0,3 МПа величина относительной просадочности существенно увеличивается, а при давлении больше 0,3 МПа на образец лессового грунта в компрессионном приборе с последующим замачиванием эта характеристика изменяется незначительно.
Так, при давлении 0,5 МПа величина относительной просадочности для очень многих исследованных образцов лессовых грунтов оказалось на 4-14% больше величины относительной просадочности, определенной при давлении 0,3 МПа. Именно поэтому в качестве основной расчетной характеристики просадочности грунтов была принята характеристика относительной просадочности определяемая в компрессионных приборах при замачивании образцов лессового грунта, нагружаемого вертикальным давлением 0,3 МПа.
Зная относительную просадочность (в долях единицы или процентах) и зная толщину залегания слоя просадочных грунтов, можно определить максимальную вероятную просадку грунтов в основании фундаментов зданий и сооружений при их замачивании водой. Этот метод был опубликован в действующих нормах по вопросам проектирования на лессовых грунтах, начиная с 1948 г.
По проф. В.И.Крутову [128, 129, 130, 131, 132, 133, 250] номенклатурными показателями просадочности, определяющими возможность проявления просадочных свойств грунтов, являются степень влажности S, и показатель просадочности П, определяемый по формуле:
где е – коэффициент пористости природного грунта; е L – коэффициент пористости, соответствующий влажности на границе текучести w L :
где s и w – удельные веса частиц грунта и воды.
При предварительной оценке к просадочным (по действующему СНиП 2.02.01относят грунты со степенью влажности S r 0,8 и показателем просадочности П, меньшим 0,10, при числе пластичности грунта 0,01 I L 0,10 меньшим 0,17 при 0,10 I L 0,14 и меньшим 0,24 при 0,14 I L 0,22.
Основными характеристиками просадочных грунтов, определяющими их специфические свойства, являются: относительная просадочность sl, начальное просадочное давление р sl и начальная просадочная влажность w sl.
Относительная просадочность представляет собой относительное сжатие грунта при заданных давлениях и степени повышения влажности и определяется по формуле:
где h p – высота образца грунта природной влажности, обжатого без возможности бокового расширения давлением р, равным давлению от собственного веса грунта и нагрузки от фундамента или только от веса грунта в зависимости от вида рассчитываемых деформаций; h sl – высота того же образца после замачивания его до полного водонасыщения при сохранении давления р; h g – высота того же образца грунта природной влажности обжатого без возможности бокового расширения давлением, равным давлению от собственного веса грунта на рассматриваемой глубине.
Начальное просадочное давление р sl – это минимальное давление от нагрузки фундамента или собственного веса грунта, при котором проявляются просадочные свойства грунта в условиях его полного водонасыщения. За начальное просадочное давление р sl при лабораторных испытаниях грунтов принимается давление, при котором относительная просадочность sl = 0,01; при полевых испытаниях штампами давление, равное пределу пропорциональности (на графике «осадка штампа нагрузка»), при котором фаза нормального уплотнения переходит в фазу просадки и осадка штампа возрастает не менее чем в 1,5 раза.
Начальная просадочная влажность w sl представляет собой влажность, при которой грунты, находящиеся в напряженном состоянии от внешней нагрузки или собственного веса грунта, начинают проявлять просадочные свойства. За критерий начальной влажности при компрессионных испытаниях принимается относительная просадочность sl = 0,01; при испытаниях штампами – давление, равное пределу пропорциональности, при котором фаза нормального уплотнения переходит в фазу просадки.
При проектировании оснований и фундаментов на просадочных грунтах учитывается возможность повышения их влажности вследствие:
– замачивания грунтов – сверху из внешних источников или снизу при подъеме уровня грунтовых вод;
– постепенного накопления влаги в грунте в связи с инфильтрацией поверхностных вод и экранированием поверхности;
– одновременного замачивания грунтов сверху и постепенного накопления влаги в грунте.
Просадочные деформации подразделяются на следующие виды в соответствии с рисунком 1.2 и рисунком 1.3:
– просадка фундаментов Ssl.p от их нагрузки, происходящая в пределах деформируемой зоны 1, располагающейся от подошвы фундамента до глубины, на которой суммарные вертикальные давления от нагрузки фундамента и собственного веса грунта равны начальному просадочному давлению р sl ;
– максимальная просадка грунтов от собственного веса Ssl,g, происходящая в нижней части просадочной толщи h sl.g при замачивании площади шириной B w H sl в соответствии с рисунком 1.3(б);
– возможная просадка грунтов от собственного веса S sl.g, проявляющаяся в пределах толщи h sl.g при B w H sl ;
– горизонтальное перемещение u sl в соответствии с рисунком 1.3(в), возникающее при просадке грунтов от собственного веса в пределах криволинейных участков просадки грунта.
I – деформируемая зона; II – нейтральная зона; III – зона просадки грунта от собственного веса; 1 – эпюра вертикальных давлений от нагрузки фундамента; 2 – то же, от собственного веса грунта; 3 – эпюра просадки грунта от нагрузки фундамента; 4 то же, от собственного веса грунта.
Рисунок 1.2 – Зоны деформации просадочного грунта в основании фундамента.
Максимальная просадка грунта от собственного веса Ssl,g характеризуется в соответствии с рисунком 1.3(б) горизонтальным участком просадки поверхности грунта b и двумя криволинейными участками r, на которых просадка изменяется от максимальной величины Ssl,g до нуля.
Возможная просадка поверхности грунта Ssl,g включает только два криволинейных участка r. Горизонтальные перемещения поверхности грунта при максимальной просадке характеризуются наличием участков в соответствии с рисунком 1.3(в) горизонтального уплотнения, разуплотнения и нейтрального, который при возможной просадке Ssl,g отсутствует.
В зависимости от возможности проявления просадок грунта от собственного веса (СНиП 2.02.01-83*) грунтовые условия строительных площадок подразделяются на два типа:
I тип – когда просадка грунта происходит в основном в пределах деформируемой зоны основания от нагрузки фундаментов или другой внешней нагрузки Ssl,р, а просадка от собственного веса Ssl,g отсутствует или не превышает 5 см;
II тип – когда наряду с просадкой грунта от нагрузки фундамента в нижней части просадочной толщи возможна просадка грунта от его собственного веса более см.
Основными характеристиками для проектирования оснований и фундаментов на просадочных грунтах, полученными при инженерно-геологических изысканиях, являются:
– тип грунтовых условий по просадочности;
– относительная просадочность sl при бытовом и фактическом давлении на грунт, а при изменении фактического давления более чем на 0,1 МПа зависимость sl от давления на грунт;
– величина начального просадочного давления p sl ;
– величина начальной просадочной влажности w sl только при медленном повышении влажности;
– модули деформации при естественной влажности Е 0 и в водонасыщенном состоянии Е w ;
– коэффициент изменчивости сжимаемости основания ;
– удельное сцепление с и угол внутреннего трения просадочных грунтов при естественной влажности и в водонасыщенном состоянии;
– удельное сцепление с и угол внутреннего трения в водонасыщенном состоянии уплотненных просадочных грунтов до заданной плотности.
Общий характер развития на замачиваемой площади (а) просадки поверхности грунта (б) и горизонтальных перемещений грунта (в): 1, 2, 3 – участка горизонтального разуплотнения, уплотнения и нейтральной зоны.
Рисунок 1.3 – Общий характер развития просадочных деформаций.
1.2.3 Прочностные характеристики лессовых просадочных грунтов Для решения инженерных задач при проектировании и строительстве используются прочностные характеристики грунтов. Существует несколько теорий прочности, которые используются для определения прочностных показателей макропористых лессовых грунтов.
Наиболее часто для расчетов используется теория Кулона-Мора: это – уравнение, которое устанавливает зависимость между нормальными и касательными напряжениями на площадках сдвига. Расчетными параметрами этого уравнения являются характеристики – “угол внутреннего трения” и “сцепление” [2, 9, 11, 60, 69, 76, 99, 128, 182, 227, 250].
При исследовании прочностных свойств макропористых лессовых грунтов необходимо изучить прочностные характеристики для трех состояний грунта – для грунта природной влажности, для грунта в процессе проявления просадки и для грунта водонасыщенного. Исследования прочности проводятся по различным схемам (быстрый сдвиг, медленный сдвиг, на нормально уплотненных образцах, на переуплотненных образцах и т.п.) в зависимости от фактической работы грунта в данной точке основания при строительстве данного сооружения [4, 8, 27, 130, 181, 182, 242, 309].
Исследования прочностных свойств, выполненные на образцах лессовых супесей и суглинков юга Украины и Северного Кавказа, позволили проф. Ю.М.Абелеву рекомендовать для лессов при изменении влажности от 7 до 11% величину угла внутреннего трения 31°. Для лессовидных суглинков при влажности на 3-5% меньшей влажности на границе раскатывания, угол внутреннего трения принят равным 27°. Величина сцепления для этих грунтов обычно изменяется в пределах 0,025-0, МПа.
При просадке нарушается природная структура лессовых макропористых грунтов и прочность грунтов при этом будет очень низкой. Впервые количественные исследования этого процесса были проведены М.Н.Гольдштейном [60, 61].
1.2.4 Фильтрационные свойства лессовых просадочных грунтов На основании многочисленных исследований (Ф.Л.Андрухин, Ю.М.Абелев, А.М.Дранников и др.) было установлено, что именно специфическая макропористая структура лессовых грунтов и вытянутость капиллярных каналов в вертикальном направлении обуславливают анизотропность различных свойств макропористых лессовых грунтов природной структуры, и особенно фильтрационных свойств.
В вертикальном направлении для лессов значение коэффициента фильтрации в 2,5- раз больше, чем в горизонтальном направлении. Для лессовидных суглинков коэффициент фильтрации в вертикальном направлении превышает коэффициент фильтрации в горизонтальном направлении в 5-30 раз [9, 31, 50, 70, 87, 110, 132, 169, 205, 250].
При проектировании систем водопровода, канализации и технологических водоводов для определения времени протекания просадочных деформаций необходимо знать коэффициент фильтрации макропористых лессовых грунтов ненарушенной структуры в вертикальном и в горизонтальном направлениях [2, 9, 10, 21, 135, 263].
При устройстве искусственных оснований следует определить одно значение коэффициента фильтрации макропористых лессовых грунтов после их уплотнения.
Так, после уплотнения коэффициент фильтрации в вертикальном и в горизонтальном направлениях становился одинаковым. Поэтому для целого ряда инженерных задач важно знать, как изменяются фильтрационные характеристики при уплотнении макропористых лессовых грунтов.
Сложность проведения экспериментальных исследований для определения характеристик проницаемости обусловлена тем, что многие виды макропористых лессовых грунтов содержат легкорастворимые соли. Кроме того, при движении воды сквозь слой лессовых макропористых грунтов наблюдаются процессы суффозии.
Суффозионные процессы в макропористых лессовых грунтах наблюдаются при определенных градиентах напора, характерных для данного лессового грунта, и при определенном времени движения воды сквозь грунт. Коэффициент проницаемости макропористых лессовых грунтов должен определяться с учетом той жидкости, которая будет фильтроваться через грунт.
Исследование проницаемости лессов и лессовидных суглинков показало, что обычно, если в грунтах содержится большое количество тонкопылеватых и глинистых частиц, коэффициент фильтрации таких грунтов резко уменьшается.
Были выполнены специальные исследования по определению начального градиента напора при фильтрации через макропористые лессовые грунты. Было поставлено 47 опытов с семью разновидностями лессов и лессовых суглинков. При этом не удалось обнаружить ни в одном опыте начального градиента напора.
На основании этих опытов был сделан вывод, что фильтрация при градиентах напора более 1, через лессовые грунты происходит в соответствии с законом Дарси. Удалось установить зависимость между изменением коэффициента пористости и коэффициента фильтрации лессовых грунтов в вертикальном направлении. Это зависимость носит экспоненциальный характер.
1.3 Анализ существующих методов расчета оснований и фундаментов зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах Необходимость строительства большого количества промышленных предприятий и гражданских зданий в СССР в 1930-1940-х годах особенно в районах с лессовыми просадочными грунтами заставило советских ученых вести большие научноэкспериментальные работы по созданию методов устройства оснований и фундаментов на лессовых просадочных грунтах [2, 9, 66, 67, 182, 230, 231, 250].
Проф. Ю.М.Абелевым впервые был предложен принцип проектирования оснований по предельным состояниям взамен принятого по допускаемым давлениям, исходя из условий совместной работы всей конструкции в целом с основанием, т.е. с учетом особенностей физико-механических свойств лессовых грунтов основания и специфики работы конструкции данного здания. Этот принцип положен в основу современного проектирования конструкций и оснований зданий и сооружений.
Защита от замачивания просадочных лессовых грунтов в основаниях зданий и сооружений является очень сложным вопросом. Об этом свидетельствует результаты анализа многочисленных аварий и деформаций гражданских зданий и промышленных сооружений на лессовых просадочных грунтах.
Для предотвращения аварий и деформаций зданий и сооружений были разработаны водозащитные мероприятия и методы приспособления надземных конструкций промышленных и гражданских зданий к неравномерным осадкам фундаментов.
Было предложено пять вариантов проектирования оснований фундаментов зданий и сооружений, где дополнительно к вышеуказанному предлагалось устранение просадочных свойств грунтов, применение искусственных оснований, прорезка просадочной толщи глубокими фундаментами и т.д. [8, 9, 10, 11, 129, 131].
На работу фундаментов влияет изменение влажности грунтов в основании. При этом нужно учесть время происшедшего замачивания (во время строительства или после завершения строительства, т.е. после передачи всей расчетной нагрузки на грунты основания).
Для водонасыщенных лессовых грунтов расчет времени уплотнения (консолидации) грунтов основания производится также как и для водонасыщенных глинистых грунтов. Следовательно, суммарная деформация просадочных лессовых грунтов основания и обусловленная ею максимально возможная осадка и просадка зданий зависят от толщины слоя просадочного грунта, его особых свойств, величины начального просадочного давления, длительности и условий замачивания, от состава замачиваемых жидкостей и т.д. [2, 29, 61, 71, 75, 99, 101, 258, 276, 277].
Если грунт в основании не подвергается действию замачивания, то величина осадки фундамента имеет вполне определенное значение. Давление на грунт у подошвы фундамента принимается равным расчетному давлению на грунт, уменьшенному на величину бытового (природного) давления g от веса вышележащего грунта, т. е. – g.
Расчет осадки производится исходя из того, что грунт, используемый в качестве основания, проявил возможную деформацию под давлением, равным g. При этом деформации считаются стабилизированными (неизменяемыми во времени), поскольку продолжительность действия этого давления весьма велика.
Для лессового грунта указанное положение является действительным лишь в случае, когда грунт в данном месте подвергался многократной нагрузке и разгрузке или подвергался высушиванию в условиях природного залегания под действием климатических факторов.
Если рассматривать нагружение грунта бытовым давлением как первичную нагрузку, то вторичное нагружение фундаментом вызывает у макропористых лессовых грунтов деформацию, равную 90-95% величины вертикальной деформации при первичном нагружении. Следовательно, расчет осадки фундаментов на макропористых лессовых грунтах с учетом уменьшения давления по глубине по теории упругости необходимо производить по полной величине давления на грунт, т. е. (без вычета бытового давления).
Установление величины сжимаемой толщи основания Н с (или величины деформируемой зоны) относится к вопросам еще мало изученным. По предложению проф. Ю.М.Абелева, границей деформируемой зоны считают глубину, на которой отношение z / g равно 0,2; здесь z и g – давление в центре элементарного слоя на глубине Н z ниже подошвы фундаментов соответственно от внешней нагрузки и собственного веса грунта.
Деформацией грунта ниже этой глубины можно пренебречь. Необходимость введения этого условия в свое время определялась тем, что используемые на практике формулы расчета осадок, полученные на основе теории упругости (Шлейхера и др.), выведены для слоя грунта бесконечной толщины.
В действительности же зона деформации имеет конечную величину, так как не всякая величина напряжения грунта в основании вызывает деформацию лессовых грунтов природной структуры, имеющую практическое значение, более 0,1 мм. Недостаток приведенной рекомендации для определения толщины деформируемой зоны основания или величины сжимаемой толщи состоит в том, что она не учитывает физических свойств и состояния грунта.
Следует однако отметить, что проведенные в НИИ оснований и подземных сооружений исследования деформируемой зоны путем измерения послойных деформаций по глубине в основании высоких дымовых труб и в основании опытных фундаментов площадью до 16 м2 подтвердили хорошую сходимость величины сжимаемой толщи основания, определяемой по приведенной рекомендации с результатами наблюдений.
Научные исследования по изучению напряженно-деформированного состояния грунтов в основании жестких штампов впервые были выполнены Г.И.Кравцовым [125] с использованием струнно-акустических месдоз конструкции Гидропроекта для грунтов во влажном и водонасыщенном состоянии.
Под руководством проф. М.Ю.Абелева [9] были проведены очень ценные исследования для определения напряженно-деформированного состояния в лессовых грунтах с малой влажностью и в водонасыщенных лессовых грунтах под жесткими фундаментами и штампами в гг.
Распределение контактных напряжений под жесткими фундаментами на маловлажных лессовых грунтах до достижения среднего давления под подошвой фундамента 0,3-0,35 МПа удовлетворительно соответствует аналитическим решениям по теории упругости. Во всех опытах на маловлажных лессовых грунтах максимальные напряжения возникли под краями штампа.
До давления 0,35 МПа эпюры контактных напряжений не изменялись. Для водонасыщенных грунтов при исследовании распределения контактных напряжений в основании круглого жесткого штампа было установлено, что первоначально распределение контактных напряжений происходит с небольшим отклонением от решения И.Я.Штаермана (теория упругости).
Начиная с определенного значения среднего давления под подошвой штампа, которое численно равно давлению, определяемому по формуле Пузыревского, с учетом развития пластических зон под краями штампа на глубине 0,25-0,35 ширины штампа, наблюдается трансформация эпюры контактных напряжений.
При нагрузках на штамп, близких к предельным, т.е. когда наблюдается потеря устойчивости штампа на водонасыщенных лессовых грунтах, эпюра контактных напряжений приобретает параболическую форму с максимальной ординатой под центром штампа [9, 128, 169].
Результаты натурных исследований распределения вертикальных напряжений и горизонтальных напряжений в основании круглого жесткого штампа на маловлажных и на водонасыщенных лессовых грунтах в соответствии с рисунком 1.4. На этом же рисунке приведено сопоставление фактических напряжений с расчетными значениями по теории упругости.
в – распределение вертикальных напряжений для лессовых суглинков Георгиевска по глубине под центром круглого Рисунок 4 – Результаты экспериментальных исследований напряженного состояния в основании жесткого круглого штампа на лессовых грунтах.
На основании этих исследований было установлено, что при нагружении жестких фундаментов до достижения определенной величины давления, равной примерно условному критерию применения теории упругости для расчета деформаций фундаментов (условное развитие зоны пластических деформаций под краем фундамента на глубину 0,25-0,35 ширины штампа), измеренные величины вертикальных напряжений незначительно отличаются от расчетных значений по теории упругости (не более 20-30%).
При дальнейшем нагружении штампов наблюдается резкое увеличение расхождений между наблюдаемыми напряжениями в основании штампа и прогнозируемыми по теории упругости. Наибольшие расхождения наблюдаются на глубинах, превышающих ширину штампа. При увеличении нагрузки на штамп наблюдается концентрация вертикальных напряжений вдоль центральной оси под штампом.
Исследования распределения вертикальных деформаций показали, что деформации в основании жесткого штампа на водонасыщенных лессовых грунтах распространяются на значительно большую глубину, чем это прогнозируется расчетами по существующим нормативным документам.
Глубина зоны распространения вертикальных деформаций в основании фундаментов увеличивается по мере увеличения нагрузки на фундамент. Исследования распределения горизонтальных напряжений под жесткими штампами показали, что эти напряжения распределяются более концентрированно относительно вертикальной оси, проходящей через центр жесткого штампа, по сравнению с распределением напряжений по теории упругости.
Концентрация напряженных и деформированных зон вдоль центральной оси под подошвой жесткого круглого штампа может быть объяснена тем, что при больших давлениях на фундаменты возникают нелинейные соотношения между напряжениями и деформациями лессовых грунтов.
1.4 Анализ методов устройства искусственных оснований зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах 1.4.1 Основные причины применения искусственных оснований После проведения исследований характеристик прочности и деформируемости лессовых просадочных грунтов основания при естественной влажности и при полном водонасыщении производятся расчеты по предельным состояниям.
Необходимо, чтобы максимальная возможная осадка с учетом минимальных значений модуля общей деформации Е о лессовых грунтов в водонасыщенном состоянии была бы меньшей, чем величина осадки, допускаемая для данного типа сооружения. Расчеты устойчивости, которые проводятся с использованием минимальных значений прочностных характеристик лессовых грунтов, также должны подтвердить, что фундаменты зданий и сооружений будут устойчивы при самых неблагоприятных обстоятельствах [2, 3, 9, 68, 128, 275, 277, 298].
Если расчетная осадка получается больше, чем допускаемая, или устойчивость фундаментов при заданных минимальных значениях прочностных характеристик не обеспечивается, производится устройство искусственных оснований.
1.4.2 Виды искусственных оснований При строительстве зданий и сооружений и инженерных коммуникаций на лессовых просадочных грунтах с I и II типом грунтовых условий площадок строительства всегда производят работы по улучшению прочностных и деформационных характеристик этих грунтов, т.е. создаются искусственные основания, которые, как и все другие несжимаемые или малосжимаемые грунты, могут служить основанием фундаментов различных зданий, сооружений и инженерных коммуникаций и обеспечивают минимальную осадку и просадку и тем самым благоприятствуют совместной работе оснований, фундаментов и зданий (обеспечение нормальной эксплуатации зданий и сооружений при минимальных разницах осадок и появлении кренов).
Искусственные основания выполняются поверхностным и глубинным уплотнением и закреплением лессовых просадочных грунтов в основаниях зданий, сооружений и инженерных коммуникаций. Поверхностное уплотнение грунтов производится уплотнением грунтов тяжелыми трамбовками, катками, вытрамбованием котлованов и устройством грунтовых подушек.
1.4.3 Устройство грунтовых подушек Грунтовые подушки выполняются уплотнением грунта в пределах деформируемой зоны основания фундаментов послойной отсыпкой местных грунтов и последующим их послойным уплотнением укаткой или трамбованием [8, 9, 10, 67, 128, 250].
Перед устройством грунтовых подушек должны быть проведены лабораторные исследования отсыпаемых грунтов и полевые опытные уплотнения этих грунтов.
При этом должны быть установлены максимальное значение плотности уплотненного грунта и оптимальная влажность, при которой достигается максимальная плотность уплотненного грунта. При проведении работ по уплотнению грунтов в теле грунтовой подушки должен проводиться контроль качества уплотнения каждого слоя.
Устройство грунтовых подушек на площадках с I типом грунтовых условий полностью исключает возможность проявления просадки грунтов.
На площадках со II типом грунтовых условий грунтовые подушки устраняют частично или полностью просадочные деформации только в пределах деформируемой зоны от нагрузки фундаментов зданий и сооружений, инженерного оборудования и инженерных коммуникаций.
Для устройства грунтовых подушек обычно применяются катки на пневмоколесном ходу, груженые автосамосвалы и скреперы. Кроме этого может быть применена самоходная трамбующая машина Д-471 на базе гусеничного трактора Т-100 [9, 128, 129]. Для достижения хорошего качества уплотнения и эффективного использования машин и механизмов уплотнение грунтов производится только при их оптимальной влажности.
Проектирование и устройство грунтовых подушек производится не только исходя из грунтовых условий, но и в зависимости от конструктивных особенностей строящегося здания или сооружения, типа фундаментов и допускаемых нагрузок на грунтовые подушки на уровне подошвы фундаментов, чувствительности зданий и сооружений к неравномерным осадкам и т.д. [8, 9, 121, 129, 258].
При возведении зданий и сооружений, малочувствительных к неравномерным просадкам, и особенно малоэтажных с нагрузкой на ленточный фундамент до кН/м столбчатый до 600 кН толщина грунтовой подушки может быть сокращена:
где р – принятая средняя величина давления на грунт по подошве фундамента; р sl начальное просадочное давление грунта, залегающего ниже грунтовой подушки; b ширина фундамента, см.
Давление по подошве фундамента на грунтовую подушку (р) толщиной не менее 50 см, исходя из исключения просадок грунта в пределах деформируемой зоны, будет равно:
Размеры грунтовых подушек в плане назначаются в зависимости от размеров фундаментов, их конфигурации в плане, принятого давления на грунт, целевого назначения применения грунтовых подушек, удобства производства земляных работ и т.п. При необходимости создания сплошного маловодопроницаемого экрана грунтовые подушки устраивают в пределах всего здания или сооружения.
При устройстве подушек только с целью ликвидации просадочных свойств грунтов в наиболее напряженной зоне основания фундамента ширина грунтовой подушки b под и длина ее l под понизу определяются по приближенным формулам:
где bиl – соответственно ширина и длина фундамента или здания; k п коэффициент, учитывающий характер распределения горизонтальных деформаций в основании фундаментов при просадке грунта и принимаемый равным при: р = 0,15МПа, k п = 0,3; р = 0,25-0,3 МПа; k п = 0,35; р = 0,35-0,4 МПа; k п = 0,4.
Выбор грунта для устройства грунтовых подушек производится в основном в зависимости от местных грунтовых условий и целевого назначения применения подушек. При возведении грунтовых подушек с целью создания сплошного водонепроницаемого экрана необходимо применять лессовидные глины и суглинки, так как в этих случаях достигается небольшая их водонепроницаемость.
Грунтовые подушки должны устраиваться из однородных грунтов оптимальной влажности. При уплотнении грунта в подушках трамбованием оптимальная влажность принимается равной Wopt = W p – (0,0…0,03); при уплотнении укаткой – равной влажности на границе раскатывания W p.
При устройстве грунтовых подушек с целью ликвидации просадочных свойств основания удельный вес сухого грунта должен быть не менее 1,60-1,65 г/см3, но не менее величины, при которой просадка грунта исключается, а при устройстве подушек с целью создания сплошного водонепроницаемого экрана – не менее 1,70 г/см3.
1.4.4 Вытрамбование котлованов Одним из видов поверхностного уплотнения лессовых просадочных грунтов является вытрамбование котлованов [9, 128, 129]. Вытрамбование котлованов под фундаменты производится уплотнением грунта путем сбрасывания в одно и то же место с высоты 4-8 м трамбовки весом 15-100 кН.
Эта трамбовка, как правило, часто выполняется в виде формы будущего фундамента. Вытрамбование котлованов под фундаменты применяется в просадочных грунтах I типа, т.е. в основном тогда, когда в нижних слоях просадочных грунтов отсутствует их просадка от собственного веса или она устранена замачиванием грунтов и т.д. [2, 7, 8, 9, 128, 129, 131, 133, 135].
Для вытрамбования котлованов применяются краны, экскаваторы и т.д. с установкой на них специального навесного оборудования. Это оборудование состоит из трамбовки, направляющей стойки или рамы и сбросной каретки. Направляющая стойка изготовляется длиной 8-12 м из труб, швеллеров и уголков.
При вытрамбовании котлованов эффективность вытрамбования определяется в основном теми же факторами, что и эффективность уплотнения грунтов тяжелыми трамбовками.
Котлованы вытрамбовываются под отдельно стоящие фундаменты с плоской или заостренной подошвой, ленточные прерывистые фундаменты, а также фундаменты с уширенным основанием, получаемым путем втрамбовывания отдельными порциями в дно вытрамбованного котлована жесткого материала (щебня, гравия и т.д.).
До начала работ по вытрамбовыванию котлованов обычно проводятся опытные работы в два этапа. На первом отрабатывается технология производства работ. При этом определяют среднее число ударов трамбовки, заданного веса, оптимальную высоту сбрасывания и т.д.
На втором этапе определяются плотность сухого грунта, влажность, прочностные характеристики и с уплотненного грунта, размеры уплотненной зоны вокруг вытрамбованного котлована, а также размеры уширенного основания при втрамбовании в дно котлована жесткого материала.
В необходимых случаях проводят испытания опытных фундаментов на вертикальные и горизонтальные нагрузки и определяют модули деформации уплотненных и неуплотненных грунтов. Опытные работы проводятся на площадках строительства объектов, для которых запроектированы фундаменты в вытрамбованных котлованах.
При вытрамбовании котлованов для ленточных прерывистых и отдельно стоящих столбчатых фундаментов при расположении их в осях на расстояниях менее 2b m (где b m – ширина котлована в среднем сечении) дополнительно замеряются вертикальные и горизонтальные перемещения грунта на окружающей их поверхности по двум створам.
При опытном вытрамбовании или проверке качества работ по оси котлована закладывают шурфы на глубину не менее 2b m ниже его дна с таким расчетом, чтобы одна из стенок шурфа проходила через центр котлована.
Смещение центров вытрамбованных котлованов от принятых в проектах положений не должно превышать 0,1 его ширины по верху или 0,05 при наличии стакана для установки колонны. После проверки качества выполненных работ готовые котлованы сдают под бетонирование.
1.4.5 Термическое закрепление лессовых просадочных грунтов Для закрепления лессовых просадочных грунтов в течение установленного времени через грунт пропускаются раскаленный воздух или раскаленные газы при температуре 300-800°С, и под действием высокой температуры отдельные минералы, входящие в состав скелета просадочных грунтов, оплавляются.
В результате этого возникает высокая прочность контактов между отдельными частицами и агрегатами частиц. При этом грунты теряют значительную часть химически связанной воды. Это изменяет свойства лессовых просадочных грунтов и уменьшает или полностью ликвидирует возможность проявления просадочных деформаций при утечках воды и технологических растворов из инженерных коммуникаций [9, 128, 131].
Метод термической обработки просадочных лессовых грунтов впервые предложил Н.А.Осташов (1934 г.). Термическая обработка лессовых просадочных грунтов производится обычно по следующей технологии. Пробуривают скважины диаметром 100-200 мм, которые закрывают специальными керамическими затворами.
В затворе оборудуется камера сгорания. К затвору подают топливо (горючие газы, соляровое масло, нефть, керосин и т.п.) и воздух под давлением. Регулировка температуры производится регулированием подаваемого сжатого воздуха и топлива. При использовании газового топлива верхняя часть скважины нагревается теплом, исходящим от факела, а нижняя – горячими газами сгорания, увлекаемыми в скважину сжатым воздухом и проникающими в поры грунта.
При применении жидкого топлива по изолированным трубкам жидкое горючее и сжатый воздух подается к выходному концу форсунки.
Температура горения газов в скважине не должна превышать 750-850°С. Если температура газов становится выше, происходит оплавление стенок скважины и стенки становятся газонепроницаемыми. В этом случае скважина становится непригодной для дальнейшего обжига грунтов.
Были исследованы свойства образцов лессовых просадочных грунтов, обработанных раскаленными газами при температуре 200, 300 и 400°С. Оказалось, что образцы, обработанные при температуре 200°С, характеризовались большей просадочностью, чем образцы естественного сложения. При действии температуры больше 300°С грунты стали совершенно непросадочными.
В дальнейшем были предложены другие методы термического обжига лессовых просадочных грунтов. По методу И.М.Литвинова [159] сгорание топлива происходит в верхней части скважины и обработка грунта по глубине раскаленными продуктами сгорания идет с верхних слоев до нижних. В 1962 г. И.Д.
При этом методе сроки обжига сокращаются, а технология работ значительно упрощается. Особенность обжига грунтов по этому методу заключается в том, что в скважине в струе кислорода сжигается металл (обычно отрезки металлических трубок или стержней).
При термическом закреплении грунтов необходимо производить обжиг на всю толщу лессовых просадочных грунтов до подстилающих прочных непросадочных грунтов. Обжиг грунтов производится как под отдельно стоящими фундаментами, так и под ленточными и сплошными фундаментами или по всей площадке под зданием или сооружением.
Образцы обоженных грунтов испытываются в лабораторных условиях. Качество термического закрепления может быть испытано нагружением опытных фундаментов или жестких штампов с замачиванием этих массивов.
1.4.6 Закрепление лессовых просадочных грунтов способом силикатизации При строительстве на лессовых просадочных грунтах при необходимости повышения несущей способности оснований, то есть для устройства искусственного основания применяется метод силикатизации грунтов в основании.
Для закрепления лессовых просадочных грунтов применяются однорастворная силикатизация на основе силиката натрия и газовая силикатизация на основе силиката натрия и углекислого газа. При этом реакция среды закрепляющих реагентов является щелочной, а областью применения обоих методов являются лессовые просадочные грунты с емкостью поглощения не менее 10 мгэкв на 100 г сухого грунта и степенью влажности не более 0,7. После закрепления прочность грунтов составляет от 0,5 до 3,5 МПа.
При силикатизации особое значение имеет правильный выбор плотности раствора силиката натрия, состав и плотность отвердителя, объемное соотношение отвердителя к крепителю и т.д. При газовой силикатизации лессовых просадочных грунтов плотность крепителя должна быть от 1,1 до 1,2 г/м3, расход крепителя в долях объема пор – 0,8 и расход отвердителя на 1 м3 грунта – 5-7,5 кг. В грунт по очереди закачиваются углекислый газ (2-3 кг), силикат натрия и еще углекислый газ (3кг).
Расчетный радиус закрепления при силикатизации зависит от водопроницаемости грунтов и с увеличением коэффициента фильтрации от 0,2 до 2 м/сут увеличивается от 0,4 до 1 м.
Данные результатов закрепления грунтов в лабораторных условиях должны включать нормативные и расчетные значения прочности R с, угла внутреннего трения, сцепления с, модуля деформации Е и коэффициента фильтрации грунта k, закрепленного раствором жидкого стекла плотностью 1,1-1,15 г/см3.
Проект закрепления грунтов в основном включает: план установки инъекторов с их маркировкой, контуры закрепленных массивов в плане и разрезы; сведения об отметках верха и низа заходок для каждого инъектора, плотности раствора и его количестве на каждую заходку и инъекцию в целом, объеме бурения, общем расходе реагента и объеме закрепленного грунта; указания по режиму нагнетания раствора (продолжительность, давление); пояснительную записку, включающую характеристику инженерно-геологических условий строительства и обоснование принятого варианта закрепления; указания по производству работ; данные по контрольному закреплению грунтов на объекте; указания по контролю качества закрепленного грунта в процессе производства работ; рекомендации по наблюдению за осадками здания или сооружения и т.д.
В расчетно-проектную работу по закреплению массивов входит: выбор конструктивной схемы закрепления грунтов основания; назначение нормативной прочности закрепленного грунта в основании; определение размеров подошвы фундамента и размеров в плане закрепленных массивов; расчет закрепленных массивов по предельным состояниям.
По результатам контрольного закрепления на строительной площадке и испытаний закрепленного грунта производится корректировка проектной плотности раствора, его расхода или режима нагнетания. При контрольном закреплении грунтов выполняются все виды инъекций, предусмотренные проектом и отрабатываются методы производства работ.
При закреплении лессовых грунтов силикатизацией применяются следующие конструктивные схемы:
– образование сплошных массивов из закрепленного грунта под отдельные или ленточные фундаменты, либо под все сооружений в целом; по этой схеме, как правило, предусматривается вынос закрепления за контуры фундамента;
– армирование грунтов основания в деформируемой зоне отдельными элементами из закрепленного грунта, при котором непосредственно под подошвой фундамента остаются участки незакрепленного грунта;
– комбинированная схема, предусматривающая сплошное закрепление на некоторую глубину непосредственно под подошвой фундамента и армирование элементами из закрепленного грунта лежащей ниже просадочной толщи, либо образование опорного слоя из закрепленного грунта и армирование лежащей выше просадочной толщи отдельными элементами из закрепленного грунта.
Размеры подошвы фундамента определяются из следующих условий.
При сплошном закреплении грунтов под подошвой фундамента среднее давление на закрепленный грунт не должно превышать расчетного сопротивления основания [9, 128, 130]. В этом случае используются расчетные значения II и с II силикатизированного лессового грунта в водо-насыщенном состоянии; коэффициент c1 = 0,7, а коэффициент с2 принимается как для пылевато-глинистых грунтов с показателем консистенции I L 0,5.
1.4.7 Глубинное уплотнение лессовых просадочных грунтов пробивкой Для глубинного уплотнения лессовых просадочных грунтов, особенно для грунтовых условий II типа по просадочности, применяется метод пробивки скважин [6, 9, 23, 128, 182].
Глубинное уплотнение грунтов пробивкой скважин (грунтовыми сваями) заключается в том, что в уплотняемом массиве пробивают ударным снарядом скважины с вытеснением грунта в стороны и созданием вокруг них уплотненных зон. Затем эти скважины засыпают местным грунтом с послойным уплотнением тем же снарядом.
При расположении скважин на определенных расстояниях l, обычно изменяющихся от 2,5 до 5 диаметров скважины, получается массив уплотненного грунта, характеризующийся повышенными прочностными характеристиками и более низкой сжимаемостью. За счет частичного выпора грунта при пробивке скважин верхняя часть уплотненного массива, называемая буферным слоем, разуплотняется и перед закладкой фундаментов ее снимают или доуплотняют [2, 9, 128].
Для пробивки скважин и уплотнения засыпаемого в них грунта применяются станки ударно-канатного бурения БС-1М или БС-2 и навесное оборудование к крану-экскаватору. Станки БС-1М имеют штангу (ударный снаряд) весом 28-32 кН с наконечником диаметром 325-425 мм и обеспечивают 44-52 удара в 1 мин с высоты 0,9-1,1 м, при которых достигается пробивка скважин диаметром 0,5-0,55 м и создается уплотненная зона радиусом 0,7-0,9 м.
Навесное оборудование к крану-экскаватору для пробивки скважин включает направляющую штангу и пробивной снаряд в виде штанги с наконечником диаметром 520-820 мм, весом 30-55 кН, сбрасываемый с высоты 4-10 м. При таком диаметре наконечника обеспечивается возможность пробивки скважин диаметром 0,7-1 м и создания уплотненной зоны радиусом 1,2-1,8 м.
Опытные работы по глубинному уплотнению пробивкой скважин выполняются перед началом производства работ с целью уточнения: расстояния между скважинами; расхода грунта для заполнения скважин; минимально допустимой степени плотности грунта в уплотненном массиве; технологии производства работ.
При пробивке скважин положение мачты должно быть вертикальным. Скважины пробивают через одну. Пропущенные скважины пробивают после полного заполнения предыдущих грунтовым материалом. Обычно при глубинном уплотнении станки ударно-канатного бурения работают попарно с таким расчетом, что один станок пробивает скважины, а другой уплотняет засыпаемый в них грунт.
При необходимости повышения прочности в нижней части уплотненного массива и создания под ним основания повышенной несущей способности в дно пробитой скважины втрамбовывается жесткий грунтовый материал (щебень, гравий, песчано-гравийная смесь, крупный песок и т. п.).
Жесткий грунтовый материал отсыпается отдельными слоями высотой 0,8-1,2 d (где d – диаметр скважины) и втрамбовывается до отказа, т.е. когда понижение дна скважины за 25 ударов не превышает см. В нижнюю часть уплотненного массива жесткий грунтовый материал отсыпается слоями толщиной 1,5-2 d и обычно уплотняется 25-30 ударами трамбовки.
Засыпка верхней части скважин, а также по всей их глубине в случае применения обычного глубинного уплотнения выполняется местным лессовым или глинистым грунтом с влажностью, близкой к оптимальной. Отклонение влажности засыпаемого в скважины глинистого грунта от оптимальной допускается не более чем на 0,02 или -0,06.
Для засыпки грунтового материала в скважины обычно используют малогабаритные бульдозеры, оборудованные совками-дозаторами с таким расчетом, чтобы вместимость их составила 0,25-0,3 м3.
1.4.8 Уплотнение лессовых просадочных грунтов подводными и глубинными взрывами Уплотнение лессовых просадочных грунтов взрывами заключается в одновременном взрывании в водной или грунтовой среде установленных по определенной сетке на некоторой глубине от поверхности зарядов взрывчатого вещества (ВВ), под воздействием которых происходит разрушение существующей структуры грунта и его дополнительное уплотнение.
При этом с целью снижения прочности маловлажных грунтов до минимального значения и создания наиболее благоприятных условий для разрушения существующей структуры и уплотнения грунта до взрывов производят предварительное его замачивание [6, 9, 128, 129, 136].
