Механика грунтов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Физические и механические характеристики грунтов. Способы и методы их определения

Грунт -- это обобщенное наименование горных пород, залегающих преимущественно в пределах зоны выветривания Земли и являющихся объектом инженерно-строительной деятельности человека.

По классификации, принятой в Строительных нормах и правилах, грунты разделяются на скальные и нескальные.

К скальным грунтам относятся изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткими связями между зернами, залегающие в виде монолитного или трещиноватого массива. К нескальным (рыхлым) относятся грунты: крупнообломочные несцементированные (валунные, галечниковые, гравийные, щебенистые, дресвяные), песчаные (пески разной крупности), глинистые (глины, суглинки), супеси.

По физико-механическим свойствам породы делятся на монолитные, пластичные, сыпучие и плывунные (насыщенные водой сыпучие породы -- плывуны).

Физико-механические свойства грунтов (пород) характеризуются рядом показателей; наиболее важные из применяемых в горном деле указаны ниже.

Плотностью породы называют отношение массы твердых частиц к их объему.

Объемная масса породы -- это масса единицы объема породы при естественной влажности и пористости. Объемная масса влажной породы зависит от количества содержащейся в ней воды и пористости. Объемная масса влажной породы учитывается в горном деле при расчетах горного давления, давления грунтов на свайное крепление котлованов и др.

Пористость -- это суммарный объем всех пор, приходящийся на единицу объема породы. Показатели, характеризующие пористость пород, используют при определении водопроницаемости и сжимаемости пород.

Влажностью называют отношение массы воды, содержащейся в породе, к массе абсолютно сухой породы в процентах.

Сжимаемостью называют способность породы к уменьшению объема под воздействием нагрузки.

Коэффициент фильтрации, являющийся основной характеристикой водопроницаемости пород, равен скорости движения воды через массив. Для различных грунтов коэффициент фильтрации Kф имеет следующие значения, м/сут:

Суглинки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,01-0,1

Супесь. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,10-1

Песок:

пылеватый. . . . . . . . . . . . 0,01-1

мелкозернистый. . . . . . . 1-5

среднезернистый. . . . . . .5-20

крупнозернистый. . . . . . 2.0-50

Гравий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50-150

Галечник. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100-500

Коэффициент фильтрации используют при различных гидрогеологических расчетах (определении притока воды в горные выработки, дебита скважин).

Кроме указанных свойств пород, при решении отдельных строительных вопросов учитывают прочность, твердость, упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, разрыхляемость горных пород.

Прочность -- это свойство горных пород сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки. Различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании и ударе.

Твердостью называют способность горной породы сопротивляться проникновению в нее другого более твердого тела (например, острия пики отбойного молотка). Твердость пород определяют по специальной шкале.

Упругость -- свойство горных пород изменять свою форму или объем под действием внешней нагрузки и возвращаться к первоначальной форме или объему после снятия этой нагрузки.

Пластичность -- это свойство горных пород деформироваться без разрушения под действием внешней нагрузки и оставаться в деформированном состоянии после ее снятия.

Хрупкость -- свойство горных пород разрушаться под действием ударных нагрузок без заметной остаточной деформации.

Вязкостью называют способность горной породы сопротивляться силам, стремящимся разъединить ее частицы. При горных работах вязкость пород оценивают по сопротивлению, оказываемому породой при отделении части ее от массива.

Разрыхляемость -- это увеличение объема горной породы при ее выемке из массива. Разрыхляемость характеризуется коэффициентом разрыхления, представляющим собой отношение объема вынутой породы к первоначальному объему породы в массиве.

Коэффициенты разрыхляемости некоторых горных пород имеют следующие значения.

Песок,супесь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,1-1,2

Растительный грунт, глина, суглинок, гравий 1,2-1,3

Полускальные породы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,3-1,4

Скальные породы:

средней прочности . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,4-1,6

прочные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,6-1,8

очень прочные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,8-2,0



Крепость горных пород характеризуется их сопротивляемостью различным механическим воздействиям: бурению, отбойке, взрыванию, разработке другими механическими средствами. Крепость пород зависит от многих физико-механических свойств: твердости, вязкости, трещиноватости, хрупкости, упругости. В горном деле принята шкала крепости горных пород, предложенная проф. М. М. Прото дьяконовым. По этой шкале все горные породы в зависимости от коэффициента крепости fкр разделены на десять категорий, причем наиболее крепкие породы (кварциты, базальты и др.), имеющие коэффициент крепости fкр=20, отнесены к I категории, а наименее крепкие (плывуны, разжиженные грунты), имеющие fкр=0,3,-- к X категории.

В Строительных нормах и правилах, являющихся сводом основных общеобязательных нормативных документов, применяемых в строительстве в нашей стране, принята шкала классификации горных пород, в которой наиболее крепкие породы (с fкр=20) отнесены к высшей, XI, группе по сложности разработки, а наименее крепкие -- к I группе.



2. Причины развития неравномерных осадок и просадок основания

При неравномерных конечных осадках и неравномерном затухании их во времени основания опускаются на различную величину, вызывая перераспределение усилий и деформаций в надземных частях зданий и сооружений. Неравномерные осадки ухудшают эксплуатацию сооружений, вызывают перенапряжение в отдельных конструкциях и элементах и их повреждение.

Основными причинами развития неравномерных осадок уплотнения являются неоднородность основания и неоднородность напряженного состояния.

К неоднородности основания относятся: выклинивание слоев под отдельными частями здания, линзообразное залегание грунтов, неодинаковая толщина слоев, различие в плотности грунта, использование различных слоев грунта под отдельными частями здания (скала и сжимаемый грунт, скопление валунов, старые фундаменты) и др.

Неоднородность напряженного состояния грунтов в основании обуславливается неодинаковой загрузкой фундаментов, взаимным влиянием загрузки соседних фундаментов, неодновременной консолидацией грунтов в основании и пр.

Развитие неравномерных осадок уплотнения обычно не заканчивается в период строительства, а продолжается в первые годы или же десятилетия эксплуатации (на пылевато-глинистых грунтах).

Неравномерные осадки разуплотнения связаны с откопкой котлована и уменьшением напряжений ниже его дна. Величина их неравномерности зависит от неоднородности основания и изменения напряженного состояния при откопке (глубины котлована, наличия подземных вод и других факторов). Эти осадки обычно заканчиваются в период строительства.

Неравномерные осадки выпирания связаны с развитием пластических деформаций грунта основания. Они могут развиваться, если давление по подошве фундамента превышает расчетное сопротивление грунта. Это чаще всего происходит при увеличении нагрузки на фундаменты во время эксплуатации зданий (при заниженной величине заглубления подошвы фундамента по отношению к полу подвала).

Неравномерные осадки расструктуривания связаны с нарушением структуры природного грунта в период производства строительных работ, особенно работ нулевого цикла. Развитие осадки расструктуривания, как правило, заканчивается в период строительства и значительно реже -- в первые годы эксплуатации.

Неравномерные осадки в период эксплуатации зданий могут развиваться под воздействием уплотнения грунтов, различных вод (грунтовых, ливневых, производственных), ослабления подземными и котлованными выработками, динамики, геологических процессов и других факторов.

При наличии достаточно большой толщи однородных пылевато-глинистых грунтов и равномерно приложенной нагрузки по длине здания происходит блюдцеобразное понижение поверхности (прогиб), которое распространяется иногда далеко за пределы загруженной площадки. Средняя часть здания вогнута, а края наклоняются к центру загруженной площадки. Такой характер деформации объясняется тем, что на угловых участках нагрузка распределяется по большей площади, распространяясь вперед за пределы конца стены. Следовательно, концы стен, получая большую площадь опоры, имеют и меньшую осадку. При такой деформации по краям стен могут возникать наклонные трещины, идущие от краев к середине под углом примерно 45°. Нижние концы трещин направлены в сторону меньших осадок. В средней части здания часто образуется трещина в виде перевернутого знака у: более широкая внизу и сужающаяся кверху. В верхней части стены по середине здания могут быть признаки разрушения кладки от раздробления. Если в стенах имеются горизонтальные пояса, то под ними в средней части здания могут появиться горизонтальные трещины. Деформации прогиба могут появляться, если под фундаментами в средней части здания имеются участки слабых грунтов или пустот, если средняя часть здания несет большую нагрузку, если в основании торцевых частей здания имеются твердые включения (скала, скопления валунов).

Деформацию выгиба испытывают здания с тяжелыми каменными стенами и слабонагруженными внутренними колоннами, а также при наличии слабых или ослабленных оснований в торцевых частях здания, расположенных рядом котлованов или траншей (за счет выдавливания грунта из-под несущего пласта основания), построек около торцевых частей зданий, значительного количества жестких включений под серединой здания и т. п. Углы в этом случае садятся больше и наклонные трещины имеют большую ширину вверху. Направление нижних концов трещин -- также в сторону меньших осадок, т. е. к середине здания. Наружные стены могут наклоняться кнаружи, образуя v-образные трещины в соединениях с поперечными стенами. Особенно часто это встречается при внецентренном загружении фундаментов наружных поперечных стен. В зависимости от конфигурации общей осадки соответствующие наклонные трещины появляются во внутренних стенах. При этом перекашиваются дверные рамы (проемы являются ослабленными местами в стенах и здесь концентрируются напряжения). Перекрытия, опирающиеся на рамы каркаса, могут испытывать большие осадки без повреждений, но если они опираются непосредственно на грунт или на отдельные фундаменты, оседающие независимо от стен, могут возникать серьезные повреждения и расстройства в стыках. Деформация выгиба значительно опаснее прогиба, так как трещины раскрываются вверху, а это может привести к тому, что торцевые стены потеряют устойчивость, перекрытия обрушатся и т. п.

Осадка крайних частей здания или сооружения возникает обычно по причинам, указанным выше, но оказывающим влияние на одну из торцевых частей здания. Этот вид деформации также является опасным.

Перекос здания или сооружения возникает в результате разности осадок соседних или нескольких расположенных в ряд фундаментов за счет разной нагрузки на рядом расположенные фундаменты или наличия слабых или ослабленных грунтов под одним из фундаментов. Перекос приводит к возникновению косых трещин, что особенно опасно в узких простенках.

Крен (наклон) испытывают жесткие сооружения при неравномерных осадках отдельных фундаментов. Причинами этого вида деформаций могут быть различные факторы. Крен фундамента приводит к повороту нижней части конструкций.

Скручивание сооружений возникает при развитии крена в разных частях длинного сооружения в противоположные стороны. Наибольшие повреждения получают, как правило, верхние этажи отдельных конструкций или здания в целом.

Обычно сооружения подвергаются одновременно различным деформациям, некоторые из них могут являться преобладающими, а другие -- слабо выраженными.



3. Определение осадки основания методом послойного суммирования

Расчет осадки слоистых оснований выполняется методом послойного суммирования, в основу которого положена выше разобранная задача (основная задача). Сущность метода заключается в определении осадок элементарных слоев основания в пределах сжимаемой толщи от дополнительных вертикальных напряжений уZP, возникающих от нагрузок, передаваемых сооружениям.

Так как в основу этого метода положена расчетная модель основания в виде линейно-деформируемой сплошной среды, то необходимо ограничить среднее давление на основание таким пределом, при котором области возникающих пластических деформаций лишь незначительно нарушают линейную деформируемость основания, т.е. требуется удовлетворить условие

(7.11)

Для определения глубины сжимаемой толщи Нс вычисляют напряжения от собственного веса уZq и дополнительные от внешней нагрузки уZP.

Нижняя граница сжимаемой толщи ВС основания принимается на глубине z = Нс от подошвы фундамента, где выполняется условие

(7.12)

т.е. дополнительные напряжения составляют 20% от собственного веса грунта.

При наличии нижеуказанной глубины грунтов с модулем деформации Е?5 МПа должно соблюдаться условие



(7.13)

Для оснований гидротехнических сооружений по СНиП 2.02.02--85 «Основания гидротехнических сооружений» нижняя граница активной зоны находится из условия

(7.14)

Расчет осадки удобно вести с использованием графических построений в следующей последовательности (рис. 7.11):

· строят геологический разрез строительной площадки на месте рассчитываемого фундамента;

· наносятся размеры фундамента;

· строятся эпюры напряжений от собственного веса грунта уZg и дополнительного уZP от внешней нагрузки;

· определяется сжимаемая толща Нс;

· разбивается Нс на слои толщиной hi?0,4b;

· определяется осадка элементарного слоя грунта по формуле

(7.15)

Тогда полную осадку можно найти простым суммированием осадок всех элементарных слоев в пределах сжимаемой толщи из выражения

(7.16)



где в-- безразмерный коэффициент, зависящий от коэффициента относительных поперечных деформаций, принимаемый равным 0,8; hi -- высота i-го слоя; Ei -- модуль деформации i-го слоя грунта;

-- среднее напряжение i-го элементарного слоя.

Метод послойного суммирования позволяет определять осадку не только ценфальной точки подошвы фундамента. С его помощью можно вычислить осадку любой точки в пределах или вне пределов фундамента. Для этого пользуются методом угловых точек и строится эпюра напряжений вертикальной, проходящей через точку, для которой требуется расчет осадки.

Рис. 7.11. Расчетная схема для определения осадки методом послойного суммирования: DL -- отметка планировки; NL -- отметка поверхности природного рельефа; FL -- отметка подошвы фундамента; ВС -- нижняя граница сжимаемой толщи; Нс -- сжимаемая толща

Таким образом, метод послойного суммирования в основном используется при расчете небольших по размерам фундаментов зданий и сооружений и при отсутствии в основании пластов очень плотных малосжимаемых грунтов.



4. Стуктурно-неустойчивые грунты. Особенности проектирования и строительства зданий и сооружений на них

Среди грунтов, на которых возводятся сооружения, есть несколько характерных типов особенных образований. Строительство на таких грунтах сопряжено со специальными мероприятиями, несоблюдение которых часто приводит к авариям. К таким грунтам обычно относят мерзлые, вечномерзлые, лёссовые, набухающие, слабые водонасыщенные глинистые, засоленные, насыпные грунты, торфы и заторфованные грунты.

Этим грунтам свойственна общая особенность - способность к резкому снижению прочности структурных связей между частицами при некоторых обычных для строительства и эксплуатации сооружений воздействиях: при нагревании - для одних, увлажнении - для других, быстром нагружении или вибрационном воздействии - для третьих типов грунтов. Это, в свою очередь, приводит также к резкому уменьшению прочности и несущей способности оснований, развитию недопустимых для сооружения деформаций.

Мерзлые и вечномерзлые грунты

Лёссовые грунты (лёссы)

У лёссовых грунтов размер пор значительно превышает размер частиц грунта. Именно в связи с таким соотношением диаметра пор и диаметр частиц лёссовые грунты называют макропористыми.

При природной влажности лёссовые грунты за счет цементационных связей обладают заметной прочностью и способны держать вертикальные откосы высотой более 10 м. Увлажнение лёссов приводит к растворению цементационных связей и разрушению его макропористой текстуры. Это сопровождается резкой потерей прочности грунта, значительными и быстро развивающимися деформациями уплотнения - просадками. Поэтому лёссовые грунты называют просадочными. Просадочность грунта при замачивании водой оценивается величиной относительной просадочности: , где - коэффициент пористости в природном состоянии. При грунт считается просадочным.

Набухающие грунты

К набухающим грунтам относят глинистые грунты с большим содержанием гидрофильных глинистых минералов(монтмориллонит, каолинит, гидрослюды) и малой влажность в природном состоянии ().

Слабые водонасыщенные грунты

К слабым водонасыщенным грунтам относят илы, ленточные глины, водонасыщенные лёссовые грунты и некоторые другие виды глинистых грунтов характерными особенностями которых являются их высокая пористость в природном состоянии, насыщенность водой, малая прочность и большая деформируемость.

Торфы и заторфованные грунты

Торфом называют органоминеральные отложения, не менее чем на 50% состоящие из остатков болотной растительности.

Песчаные, пылеватые и глинистые грунты, содержащие в своем составе от 10 до 50% по массе органических веществ, называют заторфованными грунтами.

Засоленные грунты

К засоленным грунтам относятся крупнообломочные, песчаные и пылевато-глинистые грунты, содержащие определенное количество легко -и среднерастворимых солей.

Основная опасность строительства на засоленных грунтах связана с выносом солей фильтрующими водами (химическая суффозия), разрушением текстуры грунта и развитием вследствие этого неравномерных просадок.

Грунт просадочный

Грунт пучинистый

Грунт, который при переходе из талого в мерзлое состояние увеличивается в объеме вследствие образования кристаллов льда и имеет относительную деформацию морозного пучения e_fh >= 0,01.

Насыпные грунты

При использовании структурно-неустойчивых грунтов в качестве основания сооружений рассматривают условия, при которых возможно нарушение их природной структуры и развитие просадки, и принимают меры, исключающие возможность развития такого рода деформаций.

При проектировании оснований, сложенных толщей лёссовых грунтов, вычисляют раздельно осадку фундамента S, определяемую на основе природного состояния грунтов, и его просадку Sпp при замачивании. Суммарная их величина

Sс = S+Sпр и суммарная неравномерность осадки не должны превышать предельно допустимых значений, установленных СНиП П-15-74.

Величину осадки фундамента при сохранении природной влажности лёссовой толщи определяют аналогично величине осадки фундамента на непросадочных грунтах.

Основные способы устройства фундаментов в просадочных грунтах. При проектировании фундаментов в просадочных грунтах прежде всего надо знать тип грунтовых условий по просадочности и глубину, в пределах которой грунты обладают просадочностью при давлениях, возникающих в основании. Обычно просадку определяют при давлении 0,3--0,25 МПа, а затем выбирают способ устранения просадочности лёссовой толщи.



5. Виды фундаментов мелкого заложения глубина заложения до 6м

1. Ленточные ф. под стены и колонны. 2. Ленточные прерывистые ф. под стены. 3. Столбчатые ф. под стены. 4. Отдельно стоящие ф. под колонны. 5. Щелевые ф. 6. Ф. в вытрамбованных котлованах. 7. Сплошные ф. в виде ж/б плит. 8. Коробчатые.

Ленточные фундаменты под стены устраиваются монолитными или из сборных блоков. В монолитном варианте армируется только плитная часть фундамента. В сборном варианте используются железобетонные подушки и бетонные блоки для фундаментных стен. Толщина подушки 300, 500 мм. Ширина от 600 до 3200 мм. Ф. блоки - ширину 300, 400, 500, 600 мм и высоту 280, 580 мм. Длина 880, 1180 и 2380 мм. Ленточные ф. под колонны - из монолитного железобетона. Если ленты в двух взаимно перпендик. направлениях, то это ф. из перекрестных лент.

Применение прерывистых ф. допускается при надежных грунтах и относительно небольших нагрузках. Зазоры между плитами заполняют песком с последующим уплотнением.



Отдельные сборные ф. прим. под колонны каркасных зд. В зависимости от размеров - цельные или составные.

Сплошные фунд. из универсальных сборных блоков: со скошенными ребрами и повышенной жесткости.

Бетонные, бутобетонные и каменные фундаменты устраивают в монолитном варианте и проектируют как жесткие, так как плохо сопротивляются растягивающим напряжениям. Ж/б монолитные ф. проектируют как изгибаемые конструкции на сжимаемом основании с учетом совместной работы сооружения с грунтом. В завис. от действующих усилий, грунтовых условий и размеров опирающихся на них к-ций - одно-, двух- и трехступенчатые.

Под подошвой монолитных фундаментов устраивают подготовку из тощего бетона или слоя щебня, втрамбованного в грунт, политого цементным раствором.

Определение несущей способности фундаментов мелкого заложения в большинстве случаев имеет решающее значение для вычисления размеров подошв фундаментов сооружений. Размеры подошв фундаментов определяют исходя из условий:

P<R/yn;

Pmax<ycR/yn,

Где P и Pmax - среднее и наибольшее давление под подошвой фундамента, R - расчетное сопротивление грунта основания сжатию, определяемое по формулам; yn - коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый для фундаментов мостов и труб равным 1,4; yc - коэффициент условий работы, принимаемый равным: при нескальных грунтах в случае учета действия постоянных нагрузок, временных вертикальных подвижных нагрузок, давления грунта от подвижных нагрузок и нагрузки от центробежной силы, - 1,0; при дополнительном учете одной или нескольких других временных нагрузок, а также для скальных грунтов при любых сочетаниях нагрузок - 1,2.

Напряжения P и Pmax при расчетах прочности оснований определяют исходя из линейной зависимости распределения контактных давлений, что позволяет применять формулы сопротивления материалов центрального сжатия и сжатия с изгибом.

В результате расчета определяют размеры фундамента по высоте и его необходимое армирование. Для гибких фундаментных балок и плит, на которые опираются группы стоек и колонн, а также для сплошных плит под сооружениями линейные эпюры реактивных давлений грунта используют чаще всего для предварительного определения размеров сечений фундаментов.



6. Виды свай и свайных фундаментов. Методы определения несущей способности свай

Различают сваи забивные, или заводского изготовления, и набивные, которые устраивают непосредственно на строительной площадке в полостях пробуренных скважин заданного диаметра. Сваи-стойки, прорезая слои слабых грунтов, передают нагрузку своим острием на глубоко расположенный прочный грунт, а висячие сваи воспринимают ее преимущественно боковой поверхностью за счет сил трения по всей высоте сваи. Практически чаще всего имеет место сочетание этих двух состояний работы сваи.

В соответствии с направлением погружения конструкций в грунт различают сваи вертикальные и наклонные. Анкерные и корневидные сваи применяют в тех случаях, когда фундамент предназначается для восприятия значительных горизонтальных и выдергивающих усилий.

Расположение свай в плане может быть: одиночным - под отдельно стоящие опоры; ленточным в несколько рядов - под стены зданий; кустовым - под тяжелые колонны и опоры; в виде сплошного свайного поля - под специальные высотные сооружения (дымовые трубы, доменные печи и т. п.).

В табл. 1 приведена классификация забивных свай, свайных фундаментов и ростверков в программированной форме с целью использования конструктивно-технологических характеристик этих типов свай в учебном процессе при выборе и оптимизации процессов производства свайных работ с применением ЭВМ.

Из забивных свай наиболее ударостойкими являются железобетонные предварительно напряженные сваи, верхняя, часть которых дополнительно армируется или усиливается ударопрочным фибробетонным оголовком. Известно, что в процессе забивки свай в них возникают не только сжимающие, но и значительные растягивающие усилия, которые воспринимает стержневая, проволочная или прядевая арматура. Для изготовления свай используют бетон не ниже М200, для предварительно напряженных - бетон М300, М400.

При возведении фундаментов в слабых, неустойчивых, водонасыщенных грунтах находят применение следующие виды железобетонных свай: с уширениями по стволу; полые круглого сечения; призматические и пирамидальные (рис. 1). Последние, благодаря развитым наклонным поверхностям могут воспринимать большие нагрузки по сравнению с призматическими при меньшем расходе материала. Ромбовидные сваи сплошного сечения рекомендуются на пучинистых грунтах.



Представляют интерес также сваи с инвентарной многократно используемой арматурой и составные многосекционные, которые стыкуются между собой сваркой закладных деталей, болтовым соединением металлических фланцев или замковыми устройствами специальной конструкции. В качестве анкерных инвентарных устройств широко распространены винтовые сваи металлические или комбинированные с использованием железобетона и пластмассы. Винтовой наконечник имеет диаметр лопасти, превышающий диаметр сваи, благодаря чему такие сваи хорошо воспринимают как вдавливающие, так и выдергивающие нагрузки.

Массовому внедрению забивных свай способствовало быстрое освоение серийного производства высокопроизводительного копрового и сваебойного оборудования (для коротких свай длиной до 8 м, длинных 16-20 м и составных), которое позволило прорезать толщу слабых грунтов и опирать сваи на прочные коренные породы.

Опыт применения свайных фундаментов показал, что весьма эффективной является

Рис. 1. Конструкции сборных свайных фундаментов
А - конструкции забивных свай: а - с центральным армированием; б - с периферийным армированием; в - с внутренней полостью; г - булавовидные; д - пирамидальные; е - ромбовидные; Б - вид полносборного ростверка; 1 - балка ростверка; 2, 3 - сварные сетки; 4 - пирамидальные сваи конструкция свая-колонна, позволяющая полностью исключить работы по устройству ростверков, а также связанные с этим земляные работы.

Использование свай-колонн при строительстве сельскохозяйственных объектов позволяет уменьшить стоимость работ нулевого цикла и сократить продолжительность строительства.В особых условиях строительства, при возведении фундаментов глубокого заложения, применяют стальные сваи, которые изготовляют из прокатных профилей или труб длиной 20-30 м, а также трубобетонные стальные полые трубы, заполненные бетоном.
Шпунтовые сваи (деревянные, стальные и железобетонные) используют при устройстве сплошного ограждения, подпорных стен, временного ограждения котлованов и траншей. Металлический шпунт промышленного сортамента изготовляется различного профиля и может быть применен многократно.

Ростверк - конструкция, которая объединяет сваи и служит для равномерной передачи нагрузки сооружения на них и на грунтовое основание. Различают сборные, сборно-монолитные и монолитные высокие и низкие ростверки. При безростверковых свайных фундаментах для крупнопанельных зданий до двенадцати этажей вместо ростверков применяют сборные железобетонные оголовки, которые насаживают на головы свай и замоноличивают бетоном М200. Устройство монолитных ростверков связано с выполнением трудоемких опалубочных, арматурных и бетонных работ, которые отсутствуют при сборном варианте. Наиболее экономичны предварительно напряженные железобетонные ростверки.
При устройстве сборных ростверков к точности погружения свай предъявляются высокие требования: отклонения свай в плане не должны превышать ±0,05 м, по вертикали ±0,01 м. При устройстве сборно-монолитных ростверков допуски менее жесткие, так как узел соединения и сопряжения элементов сборного ростверка со сваей выполняется в монолите (с применением инвентарно-съемной опалубки).

6.1 Методы определения несущей способности свай

Наибольшие напряжения сжатия сваи получают в момент забивки. При вертикальной нагрузке от сооружения материал свай, забитых в грунт, чаще всего недогружен. При проверке сваи на сжатие продольный изгиб учитывают как для стержня в упругой среде только на участках относительно мощных слоев слабых грунтов (торф, ил). В остальных грунтах продольный изгиб не учитывают. Если на сваю передаются горизонтальные усилия или моменты, то ее рассчитывают на поперечный изгиб подобно стержню в упругой среде.

Качество бетона свай, изготовляемых в грунте, часто бывает низким, особенно если бетонирование производили подводным способом. В связи с этим на прочность материала вводят снижающий коэффициент условий работы, равный 0,6.

Расчеты свай по прочности материала производят в соответствии с методами расчета металлических, деревянных, бетонных и железобетонных конструкций.

Определение несущей способности свай-стоек. Несущую способность одиночной сваи определяют как наименьшую из величин, вычисленных по условию прочности материала сваи и грунта, удерживающего сваю. Наиболее экономичны сваи, спроектированные так, чтобы прочность сваи по материалу и грунту близко совпадали.

Под набивными сваями вскрываемый плотный глинистый или крупнообломочный грунт разуплотняется, поэтому его сопротивление можно установить лишь испытанием штампами или загрузкой свай статической нагрузкой.

Определение несущей способности висячей сваи. Несущую способность грунта основания висячей сваи, зависящую от сопротивления грунта под ее нижним концом давлению и развивающегося по ее боковой поверхности сопротивления грунта сдвигу, определяют различными методами: практическим с использованием таблиц СНиП II-17-77, динамическим, статического зондирования, испытания свай статической нагрузкой. Из них только метод испытания свай статической нагрузкой позволяет получать непосредственно опытным путем значение несущей способности сваи. Остальные методы, являясь косвенными, дают относительно приближенные значения несущей способности, которые рекомендуется сравнивать с результатами контрольных испытаний свай статической нагрузкой.

Практический метод определения несущей способности висячих свай состоит из суммы двух слагаемых, зависящих от сопротивления грунта под их нижним концом давлению и развивающегося по их боковой поверхности сопротивления грунта сдвигу.

Расчет несущей способности висячей сваи. Классификация свай по характеру передачи нагрузок на грунт

Несущая способность висячих свай определяется либо расчетным методом, либо путем забивки опытных свай.

Висячие сваи рассчитываются по грунту. Сопротивление погружению сваи возникает под ее пятой-острием (лобовое сопротивление) и по боковой поверхности (сопротивление благодаря мобилизации сил трения). Как и для свай-стоек, лобовое сопротивление зависит от, а также от глубины погружения нижнего конца. Боковое сопротивление зависит от вида песчаных грунтов, показателя текучести IL глинистых грунтов, от глубины слоя, для которого определяется коэффициент трения. Лобовое сопротивление дается на единицу площади поперечного сечения сваи, поэтому полученная величина R умножается на площадь поперечного сечения A. С глубиной сопротивление трению увеличивается. Сопротивления под острием и по боковой поверхности суммируются. Однако предварительно они умножаются на коэффициент условий работы, который зависит от способа погружения свай.

По характеру передачи нагрузок на грунт: а) сваи-стойки, передающие нагрузку на грунт нижним концом и опирающиеся на скальные или малосжимаемые прочные грунты. К малосжимаемым грунтам относятся крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем средней плотности и плотные, а также глины твердой консистенции в водонасыщенном состоянии с модулем деформации E = 50 МПа; б) висячие сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты и передающие нагрузку на грунты основания боковой поверхностью и нижним концом (рис.Ф.14.8,б).

Схемы передачи нагрузки на основание

К висячим сваям относятся сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты. Они имеют перемещения под воздействием нагрузок значительно большие, чем сваи-стойки, при этом в работу включаются силы трения, возникающие по боковой поверхности. У висячих свай нагрузка передается основанию не только через нижний конец, но и боковой поверхностью. Нагрузка на такую сваю определяется суммой этих двух воздействий. Таким образом, висячая свая отличается от сваи-стойки тем, что передает нагрузку от веса сооружения не только своим нижним концом, но и боковой поверхностью.

ВИСЯЧИЕ ЗАБИВНЫЕ СВАИ ВСЕХ ВИДОВ И СВАИ-ОБОЛОЧКИ, ПОГРУЖАЕМЫЕ БЕЗ ВЫЕМКИ ГРУНТА

1) Несущую способность следует определять как сумму сил расчетных сопротивлений грунтов основания под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности -

где c -- коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый c = 1;

R _ расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа, A -- площадь опирания на грунт сваи, м2;u -- наружный периметр поперечного сечения сваи, м; fi -- расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПа; hi -- толщина 1-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;cR cf -- коэффициенты условий работы.

2) Несущую способность на выдергивающую нагрузку: Fdu = ,

ВИСЯЧИЕ НАБИВНЫЕ И БУРОВЫЕ СВАИ И СВАИ-ОБОЛОЧКИ, ЗАПОЛНЯЕМЫЕ БЕТОНОМ

1) Несущую способность

Несущую способность на выдергивающие нагрузки:

ВИНТОВЫЕ СВАИ

Несущую способность:Fd = c 1 c1 + 2 1 h1)A + u fi (h - d),

1, 2 --коэффициенты, в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения грунта в рабочей зоне ,; c1 -- расчетное значение удельного сцепления пылевато-глинистого или параметр линейности песчаного грунта в рабочей зоне, кПа (тс/м2); 1 -- осредненное расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих выше лопасти сваи (при водонасыщенных грунтах с учетом взвешивающего действия воды);



7. Методы уплотнения грунтов

1. Уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками. Применение трамбовок массой 5...7 т, которые сбрасываются с высоты 6...8 м, позволяет уплотнить основание на глубину 2,5...3,5 м.

Уплотнение грунта ведется участками; число ударов «по следу» принимается из условия уплотнения основания до «отказа» -- это соответствует числу ударов, начиная с которого приращение понижения трамбуемой поверхности происходит на одну и ту же величину (значение отказа). После окончания процесса трамбования разрыхленный верхний слой толщиной от 7 до 10 см следует доуп-лотнить либо легкими ударами трамбовки, сбрасываемой с высоты 0,5... 1 м, либо катками -- при больших площадях трамбуемой поверхности.

2. Уплотнение грунтов катками, легкими трамбовками и другими механизмами и транспортными средствами выполняют при оптимальной влажности.

3. Вибротрамбование выполняется самоходными виброкатками при фронте работ, достаточном для их маневрирования и разворота, а самопередвигающиеся виброплиты и вибротрамбовки используют в стесненных условиях.

4. Устройство фундаментов в вытрамбованных котлованах выполняется путем сбрасывания с высоты 4...8 м трамбовки весом 15... 100 кН, имеющей форму фундамента.

Методы глубинного уплотнения грунтовых оснований

1. Уплотнение грунтов пробивкой скважины заключается в том, что в уплотняемом массиве пробивают ударным снарядом скважины. Вытесненный при этом грунт перемещается в стороны и создает вокруг скважины уплотненную зону, а скважины засыпаются местным грунтом (или песком) с послойным уплотнением тем же снарядом.

2. Уплотнение грунтов взрывом малобризантного заряда взрывчатого вещества, который помещается в патронах, соединенных между собой в цепочку. Взрыв выполняют при помощи детонирующего шнура. После взрыва диаметр скважины увеличивается, а грунт вокруг нее уплотняется. Полость (скважину) заполняют затем порциями указанным в проекте грунтом (оптимальной влажности) с последующим трамбованием.

3. Уплотнение грунтов предварительным замачиванием находит широкое применение в просадочных грунтах, так как в процессе замачивания грунт самоуплотняется. Для полного устранения просадочных свойств грунтов метод предварительного замачивания следует применять в комплексе с другими методами, например с устройством грунтовых подушек, применением уплотнения тяжелыми трамбовками и т. п.

4. Метод предварительного замачивания грунтов в сочетании с глубинными (или подводными) взрывами заключается в том, что при предварительном повышении влажности грунт доводится до состояния, близкого к полному водонасыще-нию. При взрывании взрывчатого вещества происходит разрушение существующей структуры грунта и его дополнительное уплотнение.

5. Глубинное уплотнение грунтов вибрированием применяют, например, для уплотнения насыщенных водой песчаных грунтов и выполняют двумя способами: либо погружением вибратора (вибробулавы) в песок; либо погружением вибропогружателя.

Методы уплотнения грунтов предварительным обжатием.

1. Уплотнение грунта понижением уровня подземных вод целесообразно осуществлять в слабых грунтах. Понижение подземных вод производят путем откачки воды через иглофильтры. Из скважин непрерывно откачивают воду и уровень подземных вод оказывается ниже дна котлована, что позволяет вести строительство в осушенном котловане. Глинистые слабо фильтрующиеся грунты, как правило, плохо «отдают» воду, поэтому при их уплотнении прибегают к электроосмосу: в грунт по контуру котлована погружают две взаимно перпендикулярные сети электродов и пропускают через них электрический ток. Иглофильтры с коллектором образуют сеть электродов -- катодов. Анодами же являются стержни, погружаемые в грунт с внутренней стороны котлована. При пропускании электрического тока по сети паровая вода концентрируется у катодов и откачивается насосом, что позволяет вести разработку котлована в обычных условиях.

2. Уплотнение грунтов пригрузкой с устройством вертикальных дрен выполняют при слабых водонасыщенных илах, глинах и суглинках, находящихся в текучем и текучепластичном состоянии, а также торфах. Роль пригрузки выполняет насыпь, а вертикальные дрены ускоряют процесс уплотнения.



8. Подпорные стены. Особенности работы, расчета и возведения

Подпорной стеной называют конструкцию, предназначенную для удержания грунтового массива от обрушения при крутизне откоса более предельного. Подпорные стены являются одним из наиболее распространенных инженерных сооружений на железных и автомобильных дорогах.

а) б)

Рис.1. Откосы:

а - естественный; б - удерживаемый от обрушения подпорной стеной

При строительстве дорог нередко выемкой подрезают природные откосы, сохраняющие свою устойчивость при угле Ш0, называемом углом естественного откоса. Новый откос с углом Ш, превышающим величину Ш0, не может быть устойчивым и непременно обрушится, если его не поддержать подпорной стеной (рис.1). В таком случае на подпорную стену грунтовый массив будет оказывать давление, которое является следствием веса грунта и его дисперсности. Подпорные стены по конструкции подразделяют на массивные (гравитационные), тонкостенные, шпунтовые (рис. 2). Устойчивость массивных стен обеспечивается их собственным весом, а тонкостенных подпорных стен - собственным весом и весом грунта, лежащего на тонкостенных консольных плитах.



а) б) в)

Рис. 2. Подпорные стены:

а - массивная; б - тонкостенная; в - шпунтовая; 1 - анкерная свая,

2 - тяж, 3 - распорка

Устойчивость шпунтовых стенок обеспечивается защемлением их в грунтовом основании в сочетании с тяжами 2, закрепленными за анкерную конструкцию (например сваю 1), либо постановкой распорок 3 (рис. 2, в).

В методических указаниях рассматривается расчет массивных подпорных стен. С расчетом шпунтовых стенок студенты могут ознакомиться в методических указаниях И.В. Ковалева «Расчет шпунтовых ограждений» (Л.ЛИИЖТ, 1988).

Массивная подпорная стена состоит непосредственно из тела стены и ее фундамента (рис. 3). Грань стены АВ называют задней гранью, а грунт, лежащий за ней, - засыпкой. Нижняя плоскость АЕ называется подошвой фундамента стены, точка Е - передним ребром подошвы.

Рис. 3. Элементы подпорной стены: 1 - тело; 2 - фундамент; 3 - засыпка



Давление, оказываемое грунтом засыпки на заднюю грань стены, может реализоваться в разных видах и значениях, в зависимости от конструктивных особенностей стены, от прочностных характеристик грунта засыпки и основания, от величины и направления перемещений стенки.

При отсутствии перемещения стенки в сторону от засыпки давление реализуется в виде давления покоя Е0 (в таком случае грунт засыпки находится в условиях компрессионного напряженного состояния). Активное давление грунта Еа (распор) реализуется при перемещении стенки в сторону от засыпки и соответствует минимальному значению давления грунта. Пассивное давление Еп (отпор стены) реализуется при перемещениях стены в сторону засыпки соответствует максимальному значению давления грунта.

Изменение давления грунта в зависимости от перемещения стенки U представлено на рис. 4.

Рис. 4. Изменение давления грунта засыпки Е на подпорную стену в зависимости от ее перемещения U

Обычно в инженерных расчетах используют величину активного давления Еа , которое реализуется при достаточно малых перемещениях стенки. В этом случае конструкция стены получается более экономичной, чем в расчетах с использованием давления покоя Е0 . Под воздействием активного давления Еа стена получает обычно небольшую величину перемещения от засыпки, которое не может, как правило, реализовать полную величину отпора Еп. Для реализации полной величины Еп потребуется такая величина перемещения (вследствие уплотняемости грунта), которая не может быть допущена в условиях нормальной эксплуатации стены.

Поэтому при проектировании подпорных стен для транспортного строительства допускается вводить в расчеты только треть реализованного отпора.

По подошве стены действует сила трения Т. Схема действия всех сил на стену приведена на рис. 5. Правила знаков для угла наклона задней грани стенки е и для угла наклона засыпки б приведены в задании.

Рис. 5. Схема действия сил на стену. Допущения Ш.Кулона

Теоретической базой расчетов подпорных стен служит гипотеза Ш. Кулона, основанная на следующих положениях:

1) в грунте засыпки при наступлении предельного состояния образуется призма обрушения АВД, ограниченная от остального грунта, находящегося в допредельном состоянии, плоской поверхностью скольжения (обрушения) АД (рис. 5);

2) угол наклона плоскости обрушения АD должен быть таким, чтобы величина активного давления Еа была максимальной;

3) реакция R со стороны грунта, находящегося в допредельном состоянии, отклонена от нормали к плоскости обрушения АD на угол внутреннего трения ц в сторону, противоположную движению призмы обрушения;

4) сила активного давления Еа (реакция активного давления), действующая на заднюю грань стены АВ, отклоняется от нормали к ней на угол . Угол является углом трения грунта засыпки по материалу стенки.

Призма обрушения находится в равновесии под действием сил G (собственного веса) R и Еа .

Расчет подпорной стены можно вести и другими методами, используя, например, решения теории предельного состояния сыпучей среды (численные методы) или графоаналитические методы. Однако в силу того, что по этим методам получаются решения, близкие к результатам расчетов по теории Ш.Кулона, последний метод (т.е. метод Кулона), как наиболее простой, получил наибольшее распространение при проектировании подпорной стены.



9. Обследование фундаментов и порядок проектирования фундаментов при реконструкции

Целью обследования зд. и инж.-геол. изысканий является получение необходимых материалов для принятия решений о возможности или целесообразности реконструирования зд., методах усиления или переустройства фунд., закрепления грунтов основания и обеспечение норм. эксплуатации прилегающих зд.

Обследование здания заключается в детальном изучении технической документации, включающей общие сведения о здании, времени его строительства и сроках эксплуатации, объемно-планировочном и конструктивном решениях, системах инженерного оборудования; выявлении режима и технологических особенностей эксплуатации здания, установлении факторов, отрицательно действующих на основание, фундаменты и конструкции здания; фиксации визуально, а при необходимости и инструментально, дефектов в конструкциях здания (трещины в элементах несущих и ограждающих конструкций, коррозия арматуры, прогибы изгибаемых элементов, смещение плит перекрытий и т. п.).

Обследование фунд. и несущего слоя грунтов основания зд. производится из шурфов, число кот. определяется состоянием, размером и конфигурацией объекта, грунтовыми условиями и целями обследования. Шурфы закладываются в наиболее загруженной части здания, в каждой секции, в местах промежуточных опор, обязательно на участках развития трещин и в аварийных зонах. Глубина шурфов должна быть на 0,5 м ниже подошвы фундамента. При обследовании фундаментов в открытых шурфах устанавливается тип и материал фундамента, его форма, размеры в плане и глубина заложения. Одновременно выявляются выполненные ранее подводки и усиления, трещины и другие дефекты кладки, определяется прочность материала фундамента, наличие гидроизоляции, наличие и состояние дренажа. Ширину подошвы фундамента и глубину его заложения определяют натурными обмерами. У свайных фундаментов замеряется диаметр или размеры поперечного сечения свай, шаг, число свай на 1 м длины. Прочность материала фундаментов устанавливается испытанием проб в лаборатории, мех. или неразрушающими методами.

Инж.-геол. изыскания. Задачей инж.-геол. изысканий является: определение геол. и гидрогеологического режима площадки, агрессивности подземных вод, характеристик физико-механических свойств грунтов, возможности развития неблагоприятных геологических процессов, прогноз изменения гидрогеологической и экологической обстановки в связи с реконструкцией зд.

Инж.-геол. изыскания при реконструкции включают: бурение скважин с отбором образцов грунта и определением уровня подземных вод; зондирование грунтов; испытания грунтов штампами или статическими нагрузками; лабораторные исследования физ.-мех. свойств грунтов и хим. анализ воды.

Основным видом работ при инженерно-геологических изысканиях для строительства и реконструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений является бурение скважин. Бурением скважин определяют порядок грунтовых напластований, наличие линз, выклинивание пластов, распределение их в плане, уровень подземных вод с указанием водовмещающих пород и водоупоров и т. д.

Порядок проектирования оснований и фундаментов реконструируемых здании. После выполнения указанных выше работ анализируют материалы обследований и изысканий, в соответствии с проектом реконструкции здания определяют действующие и проектируемые нагрузки, оценивается возможность использования существующих и места расположения дополнительных фундаментов, в случае необходимости разрабатывают решения по усилению существующих фундаментов и укреплению грунтов основания.

Принципы расчетов существующих и дополнительно возводимых фундаментов во многом различны. Для существующих фундаментов после сбора нагрузок с учетом реконструкции вычисляют напряжения на контакте стены или колонны с верхним обрезом фундамента и в уровне подошвы фундамента. Затем по обычной схеме проверяют прочность материала фундамента и стен (или колонн) на местное смятие, а также прочность грунта в уровне подошвы фундамента из условий непревышения фактического давления на грунты над расчетным сопротивлением. В зависимости от результатов проверки принимается решение о необходимости усиления конструкции фундаментов, изменения их вида и размеров, закрепления грунтов основания.

При проектировании новых фундаментов глубину их заложения выбирают с учетом заложения существующих. При необходимости учитывается взаимное влияние существующих и новых фундаментов. Размеры фундаментов определяют с учетом действующих нагрузок и свойств оснований. Проводят расчеты существующих и новых фундаментов по предельным состояниям, причем неравномерность деформаций новых и существующих фундаментов, рассчитанных на воздействие дополнительных нагрузок, не должна превышать допустимые СНиПом значения.



10. Опускные колодцы, кессоны, подземные сооружения, возводимые способом «стена в грунте»

Опускные колодцы, выполняемые из монолитного или сборного железобетона, и кессоны, несмотря на технологические и конструктивные отличия выполнения строительных работ, а также особенности в структуре производственных процессов характеризуются такими общими технологическими этапами, как: 1 - подготовительный этап, 2 - Возведение сооружений на поверхности; 3 - Опускание сооружения; 4 - Устройство днища и встроенных конструкций, 5 Возведение надземной части и благоустройство территории.

Опускные колодцы на поверхности возводят не сразу на всю высоту, а по ярусам опускания. Вначале при глубоких колодцах строят первый ярус, а после его опускания - второй и последующие.

Технологическая последовательность: 1 - Устройство временного основания; 2 - Устройство ножевой части и стен оболочки первого яруса опускания, а таюке потолка кессона 3 - Технологический перерыв, необходимый для твердения бетона стен или бетона стыков при сборном решении 4 - Опускание колодца до уступа над ножевой частью 5 - Технологический перерыв в процессе опускания для устройства форшахты тиксотропной рубашки, Заполнение раствором 6 - Опускание первого яруса 7 - Технологический перерыв в опускании для уст-ва стен второго яруса 8 - Опускание второго яруса и последующих 9 - Устр-во днища и встроенных к-ций

Возведение сооружения на поверхности начинают с устройства временного основания. Временные основания под стены колодцев и кессонов устраивают для того, чтобы не допустить самопроизвольного опускания, и чтобы бетон набрал необходимую прочность. Самопроизвольные, особенно неравномерные осадки могут привести к частичному или полному разрушению бетона стен колодцев или кессонов.

При бетонировании опускных колодцев и кессонов применяют переставную и подвесную щитовую опалубку различных конструкций.

Железобетонные плиты-оболочки получили достаточно большое распространение для опалубки колодцев. Они представляют собой плиты толщиной до 80 мм, армированные одной или двумя сетками с выпуском из бетона с внутренней стороны так называемых «змеек», с помощью которых плита-оболочка скрутками крепится к арматуре стены колодца. Плиты изготавливают обычно из бетона класса не менее В15. Со стороны, соприкасающейся с бетоном стены колодца, плиты должны иметь шероховатую поверхность для того, чтобы обеспечить надежное сцепление.

...