Особенности заложения фундаментов на набухающих грунтах

Что такое проседание грунта

Проседание грунта иногда путают с осадкой. Между тем, это совершенно разные явления. Осадка заключается в вертикальном смещении грунта, происходящем в результате его уплотнения под действием нагрузки. Проседание почвы ‒ ее способность уменьшаться в объеме под собственным весом при смачивании. Сходные процессы могут происходить при оттаивании мерзлого грунта, а также сейсмическом или вибрационном воздействии на него.

Проседание грунта может быть опасно для жизни и здоровья людей

Физико-механические свойства грунтов

Физико-химические свойства

Пластичность грунтов

Показатели:

Верхний предел пластичности WL

-влажность, при превышении которой грунт начинает течь;

Нижний предел пластичности WP

-влажностью между полутвердым и пластичным состоянием.;

Число пластичности IР

=
WL -WP
;

Показатель текучести IT =(W- WP)/( IР).

Определение:

Нижний предел пластичности

– Влажность, при которой при раскатывании в шнур, диаметром 2 мм грунт раскатывается в шнур;

Верхний предел пластичности

– определение с помощью конуса Васильева

Балансовый конус для определения верхнего предела пластичности

Набухаемость грунтов

Показатели:

Относительное набухание εst –

отношение увеличения высоты образца грунта после свободного набухания в условиях невозможности бокового расширения
(h-h0)
к начальной высоте образца
h0
при природной влажности.
εst =(h-h0)/h0;
Влажность набухания

– влажность, при которой наблюдается максимальное свободное набухание;

Давление набухания

– давление, которое развивается при набухании.

Определение:

Прибор для определения свободного набухания грунта

Усадочность (усадка) грунтов

Показатели:

Усадкой грунта

называется уменьшение его объема в результате удаления воды при высыхании или под влиянием физико-химических процессов (осмос).

Линейная усадка

– уменьшение линейных размеров образца в результате усадки
ΔL=(d-d1)/ d
, где
d и d1
начальный и конечный линейный размер образца соответственно;

Объемная усадка

— уменьшение объемных размеров образца в результате усадки
ΔV=(V-V1)/ V
, где
V и V1
начальный и конечный объемный размер образца соответственно;

Влажность предела усадки Wпу

– это величина влажности, при которой усадка прекращается. Рассчитывается как величина весовой влажности.

Определение:

Определение линейной усадки грунта

Определение объемной усадки грунта

Физико-механические свойства грунтов

Деформационные свойства поведение грунта под нагрузкой до момента разрушения

Компрессия

Компрессия

– сжатие без возможности бокового расширения.

Показатели:

Коэффициент уплотнения

– отношение изменения коэффициента пористости к разности напряжений, вызвавших эти изменения:
а =Δε/Δσ.
Коэффициент уплотнения измеряется в МПа-1.

Модуль компрессионной деформации Ек

является количественной характеристикой сжимаемости грунтов при компрессионных испытаниях и величиной, обратной коэффициенту уплотнения:
Ек
=
1/а = Δσ/Δε,
МПа.

Модуль общей деформации

или
просто модуль деформации Е
характеризует деформационное поведение грунта в условиях возможности бокового расширения при условии присутствия упругих и остаточных деформаций. В практике инженерно-геологических исследований модуль деформации рассчитывают по формуле:
Е = β(1+ε0)/а, где β –
множитель для перехода от сжатия (без возможности бокового расширения) при компрессионных испытаниях к сжатию, имеющему место в натуре; численно его принимают равным для песков 0,8; для супесей 0,7; для суглинков 0,5; для глин 0,4.

Модуль осадки ер

–величина непосредственного вертикального сжатия столба грунта высотой в 1 м при приложении к нему дополнительной нагрузки
σ=0,3 МПа
(Маслов Н.Н.).
ер
=
1000 Δh/h
миллиметров на метр.

Определение:

Прибор Н.Н.Маслова для компрессионных испытаний грунтов

Порядок расчета

1. По таблице 2.10 рассчитать значения плотности скелета грунта и коэффициента пористости ε0

для своего варианта;

2. Пользуясь таблицей 2.11, рассчитать значения коэффициента пористости для каждой удельной нагрузки по формуле: εi = ε0 — Δh(1+ε0)/h;

3. Построить график зависимости коэффициента пористости от нагрузки ε=f(σ)

;

4. С графика, для участка наибольшего наклона кривой в соответствующем интервале нагрузок определить коэффициент уплотнения;

5. Все остальные показатели определить на основании предыдущих расчетов с учетом характеристик грунта (таблица 2.10) .

Просадочность (просадка) грунтов

Просадочность

– резкая деформация (уменьшение объема) грунта при увлажнении
. Понятие относится только к лессам.
Показатели:

Относительная просадочность δпр

– представляет собой отношение изменения толщины слоя грунта (высоты образца) в результате замачивания при заданном вертикальном давлении к его толщине в природном залегании (высоте образца при природном давлении). Относительная просадочность определяется по формуле:

δпр =(h′-hпр)/ h0

,

где h′-

–высота образца грунта природной влажности, обжатого без возможности бокового расширения при давлении испытания,
hпр
— высота того же образца после замачивания его до полного водонасыщения при сохранении давления замачивания,
h0
— 10мм.

Макропористость

характеризуется разностью значений пористости до и после просадки в результате увлажнения под нагрузкой. Для расчета макропористости подсчитать значения коэффициента пористости по формуле:
ε = ε0
—
Δh(1+ε0)/h
до и после просадки и соответственно значения пористости через коэффициент пористости и соответственно значения пористости по формуле:
n= ε/(1+ ε).
Разница в значениях пористости отвечает макропористости лессового грунта.

Определение: Компрессионные приборы с замачиванием снизу

Порядок расчета

1.Расчитать значение относительной деформации для каждой нагрузки;

2. Построить график зависимости относительной деформации от нагрузки;

Вид графика зависимости относительной деформации от нагрузки

3. Рассчитать относительную просадочность и макропористость.

Прочностные свойства грунтов.

Сопротивление грунта сдвигу

Сдвиг

— это минимальное касательное напряжение, вызывающее незатухающее смещение при фиксированной нормальной нагрузке. Соотношение нормальных и касательных напряжений при сдвиге определяется законом Кулона, который выражается зависимостью:
τ =σ tgφ+c.
τ-

величина касательных напряжений в МПа,

σ —

величина нормальных напряжений в МПа,

φ –

угол внутреннего трения в градусах,

c –

сцепление в МПа.

Схема сдвига грунта

Сопротивление грунта сдвигу. 1- песчаный грунт, 2-глинистый грунт.

Определение:

Принципиальная схема установки для определения сопротивления сдвигу оттаивающего грунта на контакте с мерзлым грунтом ГОСТ Р 53582-2009 «Грунты. Метод определения сопротивления сдвигу оттаивающих грунтов». 1- индикатор часового типа для измерений деформаций сдвига; 2 — подвижная обойма; 3 — неподвижная обойма; 4 — устройство для создания и регулирования температуры теплового штампа; 5 — индикаторы часового типа для измерения деформации осадки; 6 — вертикальная нагрузка; 7 — тепловой штамп; 8 — оттаявший грунт; 9 — плоскость среза; 10 — приконтактный слой (оттаивающий грунт); 11- граница раздела оттаивающего и мерзлого грунта; 12 — мерзлый грунт; Р — сдвигающая нагрузка.

Порядок расчета

1. Построить график зависимости сопротивления сдвига от нормальной нагрузки и спрямить полученную кривую. Для упрощения определения показателей масштабы осей координат должны быть одинаковыми.

2. При соблюдении равного масштаба, снять с графика значение сцепления, которое равно значению, соответствующему пересечение прямой с осью ординат (С)

и транспортиром замерить угол наклона прямой
(φ).

Виды просадочных грунтов

Существует несколько видов грунтов, склонных к проседанию:

• глины;
• суглинки;
• лессы;
• лессовидные супеси;
• пески.

Такими же свойствами обладают пепловые отложения и промышленные отходы (например, колосниковая пыль).

Отдельно следует отметить насыпные грунты, которые образуются при планировке сложного рельефа или засыпке котлованов и оврагов. Они имеют неоднородный состав и неравномерно сжимаются под действием собственного веса или нагрузок. Суммарное проседание различных видов грунта может варьироваться от нескольких сантиметров до 2 м.

От проседания грунта существенно страдают российские города. Порядка 3,5 млн. кв. км территории страны, или 20 % ее площади, составляют склонные к проседанию почвы. На них расположено более 500 городов, а каждое шестое здание построено на лессовом грунте.

Выбор фундамента

Основание дома должно обеспечивать его длительную эксплуатацию, отсутствие перекосов и просадок. Насыпи относятся к сложным грунтам, поэтому к выбору фундамента следует отнестись серьезно и грамотно. Наилучшим вариантом станет обращение к специалистам, которые смогут ответственно оценить условия строительства и, взявшись за работу, гарантировать качественный результат.

При устройстве фундамента на насыпных грунтах следует учитывать, что:

• монолитная железобетонная плита, расположенная под всей площадью застройки, максимально распределит нагрузки и обезопасит строение от неравномерных просадок. Вариант надежный, но дорогостоящий;
• ленточный фундамент потребует глубокой оценки состояния грунта и более трудоемкого процесса работы;
• сваи допускается использовать только в случае достаточного уплотнения насыпи и присутствия под ней естественных грунтовых слоев, имеющих высокую несущую способность.

Большинство специалистов склоняется к мнению, что оптимальным вариантом фундамента для насыпных грунтов является монолитная плита с усиленным армированием. Она имеет множество преимуществ, в числе которых можно отметить надежность конструкции, ее долговечность и простой монтаж. Они с лихвой перекрывают высокую стоимость используемых материалов.

Плановое устройство насыпи и ее технически грамотное уплотнение значительно упрощает возведение фундамента и позволяет сделать более точные прогнозы возможных изменений или подвижек грунта.

Причины проседания

Проседание грунта может происходить по разным причинам:

• Для мерзлой почвы характерны термические просадки, возникающие при повышении температуры. Такие процессы происходят в многолетнемерзлых горных породах.
• Лессы и лессовидные грунты уменьшаются в объеме при замачивании. Причина кроется в недоуплотненном состоянии почвы. Она представляет собой пористую массу, частицы которой скреплены мельчайшими кристаллами соли. Прочность их связи резко уменьшается при повышении влажности, а поры способствуют легкому распространению воды в породе. Соль быстро растворяется и структура грунта рушится. В результате этого процесса образуются просадки. Такие почвы характерны для степных или полупустынных районов.
• Еще одной причиной являются динамические воздействия на грунт, они приводят к вибрационным просадкам.

Описание

Осадка фундамента — это очень важная характеристика, она меняется с течением времени и в зависимости от грунта. Есть причины, по которым обычно случается неравномерное проседание:

• Экономия на материалах для фундамента и покупка дешевых и некачественных материалов.
• Дешевая и неквалифицированная рабочая сила.
• Неверно произведены расчеты глубины фундамента, уровня близости грунтовых вод.
• Нет дренажной системы.

Цели определения осадки:

• определить величину просадки;
• выполнить точный расчет осадки для фундамента из разных материалов;
• рассчитать возможные деформации и физические изменения.

Причины появления осадки фундамента

Состав грунта – это одна из самых главных причин, из-за которой возникает осадка основания дома. Почва делится на виды и каждый обладает своей прочностью. Самыми прочными видами почвенного покроя являются скальный грунт и дисперсная почва. По-другому эти почвы называют несвязными, так как они не сохранят в себе влагу.

Определение типа грунта вручную

В основе первого вида почвы лежат монолиты, а второй вид состоит из минерального зерна различного размера. Но существуют связные виды почву, они поглощают и сохраняют в себе влагу, поэтому основной составляющей этих типов почвенного покроя является глина, из-за чего слой грунта приобретает свойство подвижности и деформации. В холодное время года, содержащаяся в таких типах почвы влага, замерзает и слой грунта расширяется. Первая причина – связный слой грунта почвы. Вторая причина – особенности конструкции основания дома. Третья причина – неправильно распределенное давление стен на фундамент. При строительстве дома следует учитывать все эти факторы, чтобы в будущем не столкнуться с данной проблемой.

Вывод

Все варианты расчетов хороши в своих отдельных случаях. На данный момент все эти процессы проектирования упрощены за счет появления компьютерных программ, профессионального программного обеспечения. Но, как всегда, самыми достоверными являются знания, полученные опытным путем, и эти параметры принимаются за эталон и критические сведения.

При строительстве здания обязательно обратите особое внимание на фундамент и такой его важный параметр, как осадка, так как она влияет на прочность и надежность конструкции.

Расчет осадки

Расчет осадки — это очень важная мера при строительстве здания. Ведь фундамент — основа дома, поэтому от его целостности зависит надежность и безопасность эксплуатации.

Просадка нового здания на однородном грунте может быть 10-12 сантиметров.

Есть несколько основных принятых норм: если грунт неоднородный, то осадка без последствий может составлять 5 сантиметров, для многоэтажных домов — 2-3 см.

Любое проседание сверх этой нормы может быть чревато появлением трещин, разрушением несущих конструкций. Это влияет на безопасность нахождения людей в здании, эксплуатации помещений. Если дом многоэтажный и жилой, то есть риск потерять здоровье или жизнь большого количества людей.

Произвести расчеты самостоятельно практически нереально, но можно это делать специальным упрощенным способом. Вы можете посмотреть пример расчета осадки на видео ниже.

Строительный котлован, укрепление котлованов

Фундаменты и подвальные помещения расположены ниже уровня земли. Поэтому грунт под зданием должен быть выбран и должен быть образован строительный котлован. Если требуются точные сведения о строении и последовательности слоев грунта, то необходимо провести исследования грунтов, такие, как бурение скважин, зондаж или устройство шурфов. В соответствии с видом грунтов принимается решение о типе и конструкции фундаментов. Кроме того, необходимо проверить, не проходят ли под участком трубопроводы водоснабжения или газоснабжения, канализационные коллекторы, электрические и телефонные кабели. После этого необходимо произвести срезку верхнего слоя грунта на месте строительства сооружения. Верхним (материнским) слоем грунта называют самый верхний слой живого грунта. Он особенно богат живыми организмами. Этот слой может быть толщиной до 40 см. Верхний слой грунта должен по возможности складироваться на строительной площадке, так как он позже должен быть снова использован для покрытия и благоустройства площадки. При выемке грунта из котлована надо следить за тем, чтобы его стены укреплялись либо за счет откосов, либо за счет соответствующей обстройки. Длительные осадки, водоносные слои, мороз и динамические сотрясения могут способствовать обрушению стенок котлована. Дно котлована (подошва котлована) должно быть горизонтально, иметь проектный профиль и быть гладким. Грунтовую воду, воду из слоев грунта, поверхностные воды необходимо собирать и отводить. Чтобы иметь достаточную свободу движений, необходимо, чтобы вокруг сооружения в котловане было рабочее пространство. Это пространство должно составлять от опалубки фундамента до подошвы откоса стенки котлована не менее 50 см.

Обеспечение безопасности котлована

Строительные котлованы и траншеи глубиной более 1,25 м при выемке грунта должны укрепляться против обрушения или последующего сползания земли. С каждой стороны котлована надо создавать защитные полосы шириной не менее 60 см, которые должны быть свободными, или надо следить за тем, чтобы вынутый грунт или верхний грунт не могли скатиться обратно в котлован. Для оценки сложности разрыхления, нагружения, перемещения, укладки и уплотнения обычные грунты и скальный грунт подразделяются на 6 классов. Эти классы грунтов дают сведения об обрабатываемости строительных грунтов. По этим сведениям выбирают и применяют машины и механизмы для разрыхления, транспортировки и уплотнения земли и скальных грунтов. Кроме того, в зависимости от градации строительного грунта на землю или скальный грунт устанавливается угол откоса для строительных котлованов. Он меньше, чем угол естественного откоса. При глубине котлована до 1,75 м при устойчивом грунте на высоте 1,25м над уровнем дна котлована должен начинаться откос под углом 45°. В грунтах, связность которых может ухудшиться при высыхании, проникновении воды, при морозе или за счет образования скользких поверхностей, необходимо устраивать более пологие откосы или откосы с отступами (бермы). Ступени в ступенчатых стенах строительных котлованов должны быть шириной не менее 1,50 м; при этом глубина котлована не должна быть больше 3,00 м. Они также должны иметь откосы. При глубине котлованов свыше 5,00 м или при отклонениях от углов откоса необходимо рассчитывать их устойчивость. Если предполагаются дополнительные нагрузки и динамические воздействия или приходится учитывать сильное вымывание откосных стен котлована, то поверхности откосов необходимо укрывать пленкой или укреплять нанесением тонкого слоя бетона (торкретирование). В котлованах глубиной более 1,25 м необходимо иметь стремянки, выступающие не менее чем на 1,00 м над уровнем земли. При глубоких котлованах стремянки необходимо заменять лестничными маршами. Так как устройство откосов требует больших площадей на площадке, то стенки котлована могут укрепляться также и обстройкой. Это необходимо также при насыщенных влагой или грунтах с равномерным зерном. Обстройка — это вертикально стоящая стена из балок или стальных ригелей, которые обложены по всей плоскости полномерными брусьями толщиной минимум 5 см. Этим предотвращается обрушение стены котлована. Для предотвращения обрушения стенок котлованов брусья обстройки должны выходить не менее чем на 5 см за пределы стенки котлована. Брусья должны всей своей плоскостью подпирать землю стенки. Обстройка с горизонтальной опалубкой (укрепление брусьями) должна устраиваться постоянно вслед за обустройством котлована. Эти работы следует начинать при глубине котлована 1,25 м. При обстройке между рамными или установленными в буровые скважины стальными стойками брусья устанавливаются горизонтально между фланцами вертикальных стальных стоек. Брусья должны быть такими длинными, чтобы глубина опорной части соответствовала не менее четверти ширины фланца. Брусья необходимо закрепить досками и клиньями, причем клинья следует в свою очередь закрепить досками от смещения. При обстройке вертикальной опалубкой в узких котлованах вертикально стоящие брусья своими нижними торцами вбиваются в подошву котлована и раскрепляются горизонтальными деревянными стяжками на расстоянии 1,75 м друг от друга. Деревянные стяжки должны иметь сечение минимум 12 х 16 см. Закрепление стенок обстройкой должно вестись по мере разработки котлована. Предписания по устройству этого типа обстройки соответствуют предписаниям для обстройки горизонтальной опалубкой. Если котлован укрепляется шпунтовыми стенами, то перед началом земляных работ шпунтовые профили устанавливаются в землю. Шпунтовые профили или шпунтовые брусья на длинных сторонах имеют так называемые замки, которые служат направляющими при вбивании шпунта. Вследствие того, что шпунт может воспринимать большие растягивающие и сжимающие нагрузки, раскрепление и придание жесткости шпунтовым стенам необходимо устраивать на больших расстояниях в продольном направлении, чем в других случаях обстройки. Шпунтовые стены имеют то преимущество, что они в значительной степени водонепроницаемы. Поэтому они применяются для укрепления стенок котлованов при гидротехнических работах. Глубокие котлованы рядом с дорогами с интенсивным движением и с застроенными участками укрепляются стенами из буронабивных свай. Для этого в земле бурятся скважины. В них вставляется арматура. Потом их бетонируют. Сваи могут стоять непосредственно рядом друг с другом или на некоторых расстояниях. При этом промежутки между ними заполняются бетонными стенами.

Алгоритм выполнения расчета. Версия – СП 50-101-2004

При разработке программы использованы п.5.5.7; 5.5.8; 5.5.10; 5.5.11; 5.5.25; 5.5.31; 5.5.32; 5.5.33; 5.5.35; 5.5.36; 5.5.37; 5.5.38; 5.5.39; 5.5.40; 5.5.41; 6.1.11; 6.1.13; 6.1.15; 6.1.17; 6.1.18.

В отличие от СНиП 2.02.01-83* расчетная схема основания в любом случае принята в виде линейно-деформируемого полупространства. Поэтому для фундаментов с размерами в плане b>10,0 м при определении давлений учитывается уменьшение давления за счет вычитания бытового давления так же, как для фундаментов с небольшими размерами подошвы. Принято, что размеры котлована могут быть достаточно большими.

Согласно п.5.5.41 нижняя граница сжимаемой толщи основания принимается до уровня, в котором бытовое давление в пять раз превосходит дополнительное при ширине фундамента меньше или равной 5 м (k = 0,2), в два раза — при ширине больше 20 м (k=0,5). В интервале ширины фундамента больше 5 и до 20 метров значение k определяют интерполяцией.

При этом глубина сжимаемой толщи принимается не меньше b/2 при b ≤ 10,0 м и (4+0,1b) при b>10,0 м.

Согласно п.5.5.11 для определения расчетного сопротивления основания значения φII, сII и γII принимаются средневзвешенными для слоя грунта толщиной z ниже подошвы фундамента: z= b/2 при b <10,0 м и z= 4+0,1b при b≥10м.

Основное отличие расчета осадки по СП 22.13330 и ДБН В.2.1-10-2009 от описанных выше методик состоит в учете влияния порового давления.

Удержание воды

Возведение сооружений требует, как правило, сухих котлованов. Попадание поверхностной воды (верховодки), воды, текущей по водоупорному слою, или грунтовых вод в котлован вызывает опасность обрушения откосов и стен котлована. Для того чтобы эту опасность исключить, необходимо предотвратить попадание воды в котлован или, соответственно, удалить воду, попавшую туда. Все мероприятия для поддержания котлована в сухом состоянии называют удержанием воды. При удалении воды из котлованов или траншей различают открытое удержание воды и водопонижение. При открытом удержании воды попадающая в котлован поверхностная вода или вода в слоях грунта собирается в углубленной части котлована, в так называемое насосное болото, вне периметра строящегося здания и откачивается из котлована. Поэтому дно котлована надо спланировать таким образом, чтобы к этому месту проходили уклоны. По краям котлована могут быть устроены дренажные трубы или канавы, в которых должна собираться вода из слоев грунта или просачивающаяся вода, выходящая из откосов, которая затем должна отводиться к насосному болоту. С помощью этих мероприятий предотвращается заболачивание дна котлована и обеспечивается нормальное проведение работ по устройству фундаментов. Открытое удержание воды возможно также тогда, когда дно котлована в незначительной степени лежит ниже уровня грунтовых вод. Если подошва котлована лежит глубже существующего уровня грунтовых вод, то требуется понижение уровня грунтовых вод. С помощью всасывающих труб, которые расставляются на небольших расстояниях по площади котлована и объединяются кольцевым трубопроводом, связанным с откачивающим насосом, уровень грунтовых вод понижается и удерживается ниже уровня дна котлована, по меньшей мере, на 50 см. Таким образом, котлован может поддерживаться сухим для проведения фундаментных работ. Однако необходимо следить за тем, чтобы водопонижение не привело к осадкам сооружения, не повлияло на водоснабжение и не привело к изменениям окружающей среды.

Распределение давления в грунте

Вследствие веса сооружения в фундаментах возникают напряжения сжатия, которые должны быть распределены по грунту основания как можно более равномерно. Упрощенно принимают, что давление от фундамента на землю распространяется под углом в 45°. В действительности давление распространяется в форме луковицы под основанием сооружения. При этом получаются линии равных сжимающих напряжений, называемые изобарами. Распределение этих изобар называется также «луковицей давлений». По распределению изобар видно, что сжимающие напряжения под подошвой самые большие. В случае точечного фундамента напряжения уже на глубине, равной удвоенной ширине подошвы фундамента, почти равны нулю. В случае ленточных фундаментов это происходит на глубине, равной утроенной ширине подошвы. Изобары различных фундаментов не должны пересекаться, так как в районе пересечения происходит увеличение напряжений. Это может привести к непрогнозируемым осадкам здания (сооружения).