1.Кессоны — глубокие фундаменты, камеры которых входят в состав возводимых сооружений (опор мостов, водоприемных колодцев и насосных станций,подземных хранилищ и др.).

2.Съемные кессоны, опускаемые под воду только на время выполнения в камере строительных работ и поднимаемые затем для использования их на других объектах.

Классификация кессонов по способу опускания

Кессоны, опускаемые с поверхности земли и из котлованов.

Кессоны островные, опускаемые на местности, покрытой водой, с искусственных островков.

3. кессоны наплавные, опускаемые непосредственно с воды путем затопления кессонной камеры, которой предварительно сообщается плавучесть.

20. Нагрузки и воздействия, учитываемые в расчетах.

При расчете по деформациям – необходимо рассматривать расчетные нагрузки с коэффициентом перегрузки равным 1.

Нагрузки

Постоянные Временные

Длительно действующие Кратковременные Особые

(оборудование, склад.мат, снег) ( ветер, кран) (сейсмические)

К постоянными нагрузками относят:

вес строительных конструкций (самих фундаментов, стен и перекрытий, в том числе и кровли);эксплуатационные нагрузки (вес мебели, оборудования и проживающих людей и т.д.).

Используются 3 сочетания нагрузок:

1. Основное сочетание – согласно СНиП расчет оснований и фундаментов ведется только по этому сочетанию (постоянные + временные (длительно действующие)).

2. Дополнительное

3. Особое

Завышение и занижение нагрузок может привести к неравномерным осадкам во времени

21. Механическая и химическая суффозия грунтов. (вымывание грунта в котлован вместе с водой)

Поступление воды в котлован и её постоянное удаление часто приводит к образованию явления суффозии (вынос минеральных частиц грунта потоками воды). Суффозия может быть как механическая (см. рисунок), так и химическая. Последняя связана с наличием растворимых солей и встречается очень редко.

С хема нарушения структуры грунта основания котлована вследствие поступления в него грунтовой воды с выносом минеральных частиц (механическая суффозия).

При механической суффозии могут образовываться «вулканчики» – вымывание грунта, таким образом, нарушается структура основания. В практике строительства были отмечены случаи, когда диаметр «вулканчика» составлял до 20 м и высотой до 70 см.

Избежать проявления подобных негативных явлений, вызывающих расструктуривание оснований, можно добиться существенным снижением поступления воды в котлован, вплоть до её полного прекращения.

Суффозией(suffosio-подкапывание, лат.)  называют процесс вымывания мелких частиц из горных пород фильтрующейся водой, часто сопровождающийся оседанием вышележащих пород, образованием воронок, провалами и т.и.

Термин введен  А. П. Павловым, понимавшим под суффозией явление оседания поверхности земли, связанное с выщелачиванием выносом растворимых частей горной породы. В настоящее время суффозией называют сам процесс выноса частиц породы, а не его последствия, основное значение придается механическому выносу, а не растворению.

Различают механическую и химическую суффозию. Механическая суффозия происходит за счет выноса частиц породы фильтру­ющейся водой, при химической суффозии в виде раствора выносится раствори­мая часть породы.

Для переотложения вынесенных частиц необходимо: а) при механической суффозии — изменение скорости движения воды или фильтрация ее через по­роду с иной пористостью; б) при химической суффозии — изменение гидро­химических условий, например для отложения карбонатов достаточно умень­шения содержания СО2 в воде.

Встречается смешанный химико-механический тип суффозии. Например, в разнозернистом песчанике может растворяться цементирующее вещество и механически могут выноситься мелкие частицы породы.

Химическая суффозия может протекать в течение длительного (геологиче­ского) времени. Так, например, выщелачивание железистых кварцитов приводит к выносу кремнезема и формированию залежей богатых железных руд.

Независимо от типа, суффозия может происходить как в глубине массива пород, так и вблизи поверхности. Выделяются особые виды суффозии — под­земная и контактная.

Подземная суффозия — перенос мелких частиц породы движу­щейся водой из одних пластов в другие или внутри пласта. Следствием ее явля­ются вторичные изменения и перераспределение гранулометрического состава пород, образование «промытых» путей движения подземных вод, в пределах которых коэффициенты фильтрации значительно выше, чем в породах, не за­тронутых подземной суффозией.

Контактная суффозия — один из видов подземной суффозии, при которой на  контакте ДВУХ пород мелкие частицы одной породы потоком воды разносятся  по порам ДРУГ0Й. В связи с контактной суффозией вдоль контакта иногда создается слой породы, имеющий измененный гранулометрический состав и иные свойства.

Химическая суффозия имеет практическое значение в растворимых породах (карбонаты, сульфаты, галоиды), вода растворяет частицы породы и выносит продукты разрушения.

В результате растворения водой составных частей пород, в последних образуются пустоты – возникает карст. Наличие закарстованных пород обусловливает большие потери воды на фильтрацию из водохранилищ и прудов, нередко последние остаются совершенно сухими.

Наличие в районах строительства гидротехнических сооружений закарстованных пород осложняет строительство. В качестве мер борьбы с водообилием закарстованных пород при строительстве гидротехнических сооружений применяются откачки, глинизация, битуминизация и цементация. Постоянные потоки подземных вод желательно перехватить дренами и отвести их за пределы застраиваемой территории.

Борьба с механической суффозией

Плывуны осложняют производство работ, могут привести к различным нарушениям при строительстве и эксплуатации сооружений и даже авариям.

Способы борьбы:

осушение грунтов с помощью забивных и опускных фильтров, откачка воды из скважин;

защита котлованов, шурфов и т.д. от заплывания с помощью шпунтовых стенок и забивной крепи. Шпунты забиваются до водоупора или плотных пород;

закрепление плывунов до потери плывучести, путём замораживания или силикатизацией (жидким стеклом и т.д.).

Суффозия – разрушение горных пород потоками фильтрующейся воды. Суффозия, как инженерно-геологический процесс, проявляется на участках расположения гидротехнических сооружений (плотин, каналов) и при вскрытии подземных вод котлованами и карьерами. Различают механическую и химическую суффозию.

Механическая суффозия – это вынос мелких частиц фильтрующейся водой – вода выносит частицы во взвешенном состоянии. Она происходит в рыхлых, насыщенных водой и мягких связных породах при повышении напорного градиента в фильтрационном потоке до некоторых величин. Эти градиенты могут создаваться в нижнем бьефе плотин, тогда частицы породы будут выноситься из-под основания плотины, и устойчивость последней будет нарушена. При вскрытии насыщенных подземными водами рыхлых, несвязных грунтов, происходит движение всей грунтовой массы (грунт + вода) в направлении действия напорного градиента. Этот процесс получил название плывучести, а грунты, насыщенные водой и обладающие этими свойствами – плывунами. Обычно, плывуны вскрываются котлованами, карьерами, колодцами, при проходке скважин и туннелей.

22. Виды деформаций оснований и сооружений.

Деформации оснований подразделяются на:

- осадки - деформации, происходящие в результате уплотнения грунта под воздействием внешних нагрузок и не сопровождающиеся коренным изменением его структуры;

- просадки - деформации, происходящие в результате уплотнения и сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта под воздействием как внешних нагрузок и собственного веса грунта, так и дополнительных факторов (замачивание просадочного грунта, оттаивание ледовых прослоек в замершем грунте и др.);

- подъемы и осадки, связанные с изменением объема некоторых грунтов при изменении их влажности или воздействии на них химических веществ (набухание и усадка) и при замерзании воды и оттаивании льда в порах грунта (морозное пучение и оттаивание грунта);

- оседания - деформации земной поверхности, вызываемые разработкой полезных ископаемых, понижением уровня грунтовых вод, проявлением карста;

- горизонтальные перемещения - деформации, связанные с действием горизонтальных нагрузок на основание (фундаменты распорных конструкций, подпорные стены) или со значительными вертикальными перемещениями поверхности при оседаниях, просадках грунтов от собственного веса

Наиболее опасны для конструкций зданий и сооружений неравномерные деформации основания, которые вызывают дополнительные усилия в конструкциях. При этом чем больше деформация, тем больше могут быть усилия, которые при определенной их величине приводят к возникновению трещин в конструкциях.

Основными причинами возникновения неравномерных деформаций являются:

- неравномерная сжимаемость грунтов из-за их неоднородности, выклинивания и непараллельности залегания отдельных слоев (рис.Ф.10.3); Рис.Ф.10.3. Выклинивание разных по сжимаемости пластов грунта под сооружением

- неодинаковая нагрузка на фундаменты, вынуждающая предусматривать различные размеры их подошвы, а это при одной и той же интенсивности давления на основание вызывает неравномерные осадки уплотнения;

- неравномерное увлажнение просадочных и набухающих грунтов, приводящее к различным деформациям (просадки или подъема фундаментов);

- неодновременное загружение фундаментов в процессе строительства и эксплуатации зданий, особенно при строительстве зданий вблизи существующих;

- неравномерное распределение нагрузок на полы производственных зданий, а также наличие различающейся пригрузки вблизи здания или сооружения.

Различаются следующие виды деформации фундаментов:

а) абсолютная осадка отдельного фундамента;

б) средняя осадка здания или сооружения, определяемая по абсолютным осадкам не менее чем трех его отдельных фундаментов или трех участков общего фундамента;

в) перекос — разность осадок двух соседних фундаментов, отнесенная к расстоянию между ними (характерен для зданий каркасной системы);

г) крен — разность осадок двух крайних точек фундамента, отнесенная к расстоянию между этими точками; характерен для абсолютно жестких сооружений компактной формы в плане;

д) относительный прогиб или перегиб фундамента — отношение стрелы прогиба к длине изогнувшейся части здания или сооружения.

Предельные расчетные осадки оснований

На основании анализа и обобщения многолетних наблюдений за осадкой различных зданий и сооружений строительными нормами и правилами (СН и П) установлены предельные величины деформаций. Эти величины деформаций гарантируют от появления недопустимых для нормальной эксплуатации зданий и сооружений дефектов и повреждений в наземных конструкциях по причинам, связанным с деформациями оснований.

Осадки сооружений, превосходящие по величине предельные значения, могут привести к деформациям надземных строительных конструкций вплоть до аварийного состояния и разрушения.

Дополнительные осадки

Наблюдениями за осадками сооружений выявлена особенность протекания их во времени у двух групп грунтов — песчаных и глинистых. Осадки фундаментов на песчаных бывают в основном в строительный период (до 90% расой величины) и характеризуются быстрой стабилизацией. На глинистых грунтах стабилизация осадок фундаментов происходит крайне медленно: к концу строительного периода она составляет 40—50% от расчетной величины, а остальная часть падает на период эксплуатации сооружений. Могут происходить дополнительные осадки оснований фундаментов. Причинами таких осадок бывают:

а) отсутствие планировки прилегающей территории, а также зданий из-за неисправности отмосток; по этим причинам происходит увлажнение грунтов оснований дождевыми и талыми водами и снижение их несущей способности;

б) колебания уровня грунтовых вод и, как следствие, снижение несущей способности грунта при повышении этого уровня;

в) промерзание основания при недостаточной глубине заложения фундаментов;

г) наличие под фундаментами старых, небрежно засыпанных выработок;

д) оползневые и карстовые явления;

е) увеличение давления на грунт при дополнительной нагрузке фундаментов (установка более тяжелого оборудования, надстройка зданий и т. д.);

ж) динамические воздействия ударного или вибрирующего оборудования на фундаменты и основания при водонасыщенных песчаных грунтах;

з) неисправность сетей водопровода, канализации, теплофикации, утечка из них воды и, как следствие, чрезмерное увлажнение или размыв грунта оснований и др.

По этим причинам дополнительные осадки фундаментов могут значительно превышать по величине расчетные и достигать катастрофических размеров — 30-60 см. Такие осадки фундаментов вызывают значительные деформации в наземных конструкциях: трещины в стенах, изгиб подкрановых балок и путей, нарушение сопряжений и другие повреждения элементов несущего каркаса и ограждающих конструкций. Иногда деформации наземных конструкций, вызванные неравномерной осадкой фундаментов, делают здания непригодными для дальнейшей эксплуатации.

23. Проектирование оснований по первой группе предельных состояний.

по предельному состоянию по устойчивости, несущей способности

Условия расчета

1. Наличие постоянно действующей горизонтальной составляющей.

2. Основание ограничено нисходящими откосами.

3. При проектировании анкерных фундаментов.

3. При наличии в основании скальных пород.

Расчет оснований по несущей способности

F ≤ γ_сF_u/γ_q

F – расчетная нагрузка на основание при наиболее невыгодной комбинации нагружения; F_u – несущая способность основания (сила предельного сопротивления основания); γ_с –коэффициент условия работы основания; γ_q – коэффициент надежности (≥ 1,2 – в зависимости от ответственности здания и сооружения)

Для скальных грунтов

R_c – расчетное значение временного сопротивления образца скального грунта сжатию в водонасыщенном состоянии.

N_u - вертикальная составляющая силы предельного сопротивления.

b^/l^/ - приведенные ширина и длина фундамента

e_b , e_l - эксцентриситеты приложения всех нагрузок по осям фундамента

b^/= b – 2e_b

l^/= l – 2e_l

Для однородных нескальных грунтов несущую способность находят аналитически

N_u = b`l`(N_γb` γ_Iξ_γ + N_qdγ_Iξ_q + N_cc_Iξ_c)

f ~ φ – по таблице СНиП 2.02.01-83

N _γ = λ_γi_γn_γ λ_γ

N_q = λ_qi_qn_q λ_q

N_c = λ_ci_cn_c λ_c

i_γ i_q i_c – коэффициенты влияния угла наклона нагрузки

n_γ n_q n_c - коэффициенты влияния соотношения сторон прямоугольного фундамента

Графоаналитический метод определения N_u с построением кругло цилиндрических поверхностей скольжения – применяется если:

- основание сложено неоднородными грунтами;

- величины пригрузок с разных сторон фундамента отличаются, > чем на 25%.

Недостатки проектирования фундаментов по R:

Выравнивание давления приводит к разной ширине подошвы фундамента и разной величине активной сжимаемой толще, значит и к разным (неравномерным) осадкам.

24. Основные свойства набухающих грунтов. Характеристики набухания.

Набухающие грунты имеют широкое распространение. Такие грунты распространены в Египте, Бирме, США, ЮАР, а в Индии более 30% территории занимают так называемые хлопковые почвы. В странах СНГ такие группы встречаются в Казахстане, Грузии, Азербайджане, Украине, России (Поволжье, Северный Кавказ и других районах). Характерной особенностью набухающих грунтов является резкое снижение их несущей способности при замачивании.

Набухающие глинистые грунты характеризуются следующими параметрами:

давлением набухания P_sω;

влажностью набухания ω_sω;

относительным набуханием при заданном давлении ε_sω;

относительной усадкой при высыхании ε_sh.

Эти характеристики определяются в лабораторных условиях согласно ГОСТ 24143-80.

Давлением набухания P_sω грунта называют то минимальное давление, при котором грунт не набухает.

Давление набухания развивается в глинистом грунте как реакция внешней нагрузке, передаваемой на грунт от сооружения или выщелачивающей толщи грунта. Это давление может достичь 0,8 МПа и возникает в основании гидротехнических сооружений после пуска в них воды, что приводит к деформациям этих сооружений, вследствие неравномерного поднятия фундамента на разных участках.

За влажность набухания ω_sω принимается влажность, полученная после завершения набухания образца, обжатого без возможности бокового расширения заданным давлением Р. С увеличением плотности грунта влажность набухания уменьшается.

Набухаемость грунтов оценивают коэффициентом относительного набухания ε_sω, который находят испытанием грунта в одометре, и нагружают давлением, которое ожидается на данной глубине с учетом давления от возводимого сооружения. Затем в одометр подают воду. В результате чего происходит набухание образца грунта, т.е. поршень одометра будет перемещаться вверх. По данным испытания можно построить кривую (рис. 5.21,а).

Рис. 5.21. Зависимости деформаций набухающего грунта (а) и относительного набухания (б) от нормального давления

При экранировании поверхности и изменении водно-теплового режима относительное набухание находят по формуле

       (5.35)

где k — коэффициент, определяемый опытным путем, а при отсутствии экспериментальных данных принимается равным 2; ω_eg — конечная (установившаяся) влажность грунта; ω₀ — начальная влажность грунта; ε₀ — начальное значение коэффициента пористости грунта.

Значения относительного набухания зависят от плотности и начальной влажности грунта. С увеличением начальной влажности образца грунта набухание снижается тем быстрее, чем больше ω_о.

Снижение прочностных характеристик при набухании происходит у всех набухающих грунтов. После набухания грунта модуль деформации уменьшается в несколько раз, что наглядно видно из табл. 5.7. Также видно, что модуль деформации набухающих глин, определенный в лабораторных условиях, значительно ниже, чем определенный при полевых испытаниях.

Так, для глины природной влажности модуль деформации по полевым данным больше, чем по лабораторным, в 2,3—2,7 раза, а для увлажненной — в 3,0—3,3 раза.

При проектировании оснований, сложенных набухающими грунтами, следует учитывать возможность:

набухания этих грунтов за счет подъема уровня подземных вод или инфильтрации – увлажнения грунтов производственными или поверхностными водами;

набухания за счет накопления влаги под сооружениями в ограниченной по глубине зоне вследствие нарушения природных  условий испарения при застройке и асфальтировании территории (экранирование поверхности);

набухания и усадки грунта в верхней части зоны аэрации – за счет изменения водно-теплового режима (сезонных климатических   факторов);

усадки за счет высыхания от воздействия тепловых источников.

Примечание. При проектировании заглубленных частей сооружений должны учитываться горизонтальные давления, возникающие при набухании и усадке грунтов.

Основания, сложенные набухающими грунтами, должны рассчитываться в соответствии с требованиями разд.2.

Деформации основания в результате набухания или усадки грунта должны определяться путем суммирования деформаций отдельных   слоев

Степень набухания грунтов зависит главным образом от количества глинистых частиц, типа минералов, степени засоленности, состава обменных оснований, плотности, влажности и других факторов. Одна из наиболее характерных особенностей этого явления в том, что при набухании развивается давление, равное 5—10 кгс/см², а иногда и более.

Процесс набухания является обратимым, т. е. набухающие грунты при высыхании уменьшаются в объеме — дают усадку, а при последующем замачивании вновь набухают.

Как набухание, так и усадка грунтов оснований могут вызвать неравномерные деформации сооружений. К сожалению, строители далеко не всегда учитывают эти специфические особенности набухающе-усадочных грунтов. В отечественной и зарубежной практике строительства имеется множество примеров недопустимых деформаций зданий и сооружений, построенных, на глинистых набухающих грунтах. Зачастую они носят аварийный характер, в результате чего сооружения либо разрушаются полностью, либо становятся непригодными для дальнейшей эксплуатации. Многократные капитальные ремонты, восстановление и обеспечение эксплуатационной пригодности деформированных зданий и сооружений приводят к большим дополнительным затратам.

Причины возникновения.

Набухание и усадка грунтов на строительной площадке возможны в результате следующих явлений:

подъема уровня подземных вод или инфильтрации (увлажнения поверхностными или производственными водами); накопления влаги в ограниченной по глубине зоне под сооружением в результате нарушения природных условий испарения, возможного при застройке и асфальтировании городской территории (экранирование поверхности); за счет изменения водно-теплового режима в верхней части зоны аэрации, происходящих в результате влияния сезонных климатических факторов; за счет высыхания от воздействия тепловых источников (котельных, доменных печей, атомных, тепловых электростанций и др.).

Последствия процессов набухания или усадки.

Увеличение влажности набухающих грунтов приводит к подъему расположенных в них фундаментов и развитию отрицательного (негативного) трения в случае свайных фундаментов. Усадка грунта после высыхания вызывает осадку сооружений. В ряде случаев представляет опасность также и горизонтальное давление набухания на подземные элементы конструкций.

Способы снижения и исключения неблагоприятных воздействий от набухания или усадки.

Снижения интенсивности набухания удается добиться за счет максимального сокращения сроков работ по возведению фундаментов, используя при этом водонепроницаемые материалы и слабо фильтрующие обратные засыпки.

Иногда применяют компенсирующие песчаные подушки, позволяющие частично сглаживать неравномерное набухание грунта вследствие более равномерного распределения давления на большую площадь. Одновременно песчаные подушки способствуют сравнительно равномерному развитию набухания, обеспечивая стекание влаги с мест большего подъема набухшего грунта в пониженные зоны, где набухание замедлилось, тем самым автоматически регулируя развитие процесса набухания.

Исключить влияние неблагоприятных воздействий от набухания или усадки удается с помощью полной или частичной замены слоя набухающего грунта не набухающим.

Особенности проектирования оснований сооружений, возводимых на набухающих грунтах.

Основания, сложенные набухающими грунтами, должны проектироваться с учетом способности таких грунтов при повышении влажности увеличиваться в объеме – набухать. При последующем понижении влажности у набухающих грунтов происходит обратный процесс – усадка.

Необходимо учитывать, что способностью набухать при увеличении влажности обладают некоторые виды шлаков (например, шлаки электроплавильных производств), а также обычные пылевато-     глинистые грунты (ненабухающие при увеличении влажности), если     они замачиваются химическими отходами производств (например, растворами серной кислоты).

При проектировании фундаментов на набухающих грунтах необходимо учитывать возможное набухание при подъеме уровня грунтовых вод; набухание и усадку грунтов в результате изменения водно-теплового режима, усадку грунтов в процессе их высыхания. На величину набухания оказывают влияние влажность и плотность грунтов. Увеличение начальной влажности способствует уменьшению набухания; с увеличением начальной плотности линейно возрастает набухание грунта. Основными характеристиками набухающих грунтов являются давление набухания, влажность набухания, относительное набухание при заданном давлении; относительная усадка при высыхании/

Нормативные значения относительного набухания и относительной усадки определяют по результатам лабораторных опытов при невозможности бокового расширения или по данным полевых испытаний.

При расчете оснований из набухающих грунтов деформации уплотнения основания от внешней нагрузки и возможную осадку от уменьшения влажности суммируют. Подъем основания при набухании грунтов рассчитывают в предположении полной стабилизации осадок уплотнения грунтов от внешней нагрузки.  Если расчетные деформации оснований больше допустимых, то вводят водозащитные мероприятия (планировку территории со стоком атмосферных вод в канализацию, организованный отвод воды с кровель, устройство отмосток с уклоном не менее 3° и др.); предварительное замачивание набухающих грунтов в пределах всей зоны или ее части; устройство компенсирующих песчаных подушек; замену набухающего грунта не набухающим полностью или частично; полную или частичную прорезку фундаментами слоя набухающих грунтов.

25. Откосы и склоны. Основные виды нарушения устойчивости откосов и склонов.

Откосом называется искусственно созданная поверхность, ограничивающая природный грунтовый массив, выемку или насыпь. Откосы образуются при возведении различного рода насыпей (дорожное полотно, дамбы, земляные плотины и. т.д.), выемок (котлованы, траншеи, каналы, карьеры и .п.) или при перепрофилировании территорий.

Склоном называется откос, образованный природным путем и ограничивающий массив грунта естественного сложения.

При неблагоприятном сочетании разнообразных факторов массив грунтов, ограниченный откосом или склоном, может перейти в неравновесное состояние и потерять устойчивость.

Основными причинами потери устойчивости откосов и склонов являются:

устройство недопустимо крутого откоса или подрезка склона, находящегося в состоянии, близком к предельному;

увеличение внешней нагрузки (возведение сооружений, складирование материалов на откосе или вблизи его бровки);

изменение внутренних сил (увеличение удельного веса грунта при возрастании его влажности или, напротив, влияние взвешивающего давления воды на грунты);

неправильное назначение расчетных характеристик прочности грунта или снижение его сопротивления сдвигу за счет, например повышения влажности;

проявление гидродинамического давления, сейсмических сил, различного рода динамических воздействий (движение транспорта, забивка свай и. т.п.).