Глава III. Анализ исследований по изучению особых свойств лессовых просадочных грунтов,
ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗДАНИЙ ПОВЫШЕННОЙ ЭТАЖНОСТИ НА ЛЕССОВЫХ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТАХ
Первой работой, в которой описаны лессовые отложения в районе р. Дона, является исследование Н.Д.Борисяка, опубликованное в 1867 г., Генетическую классификацию лессовых пород впервые предложил А.П.Павлов в 1903 г. В этом же году были впервые зарегистрированы просадки дамбы железнодорожного пути Оренбург Ташкент, которые произошли в результате обводнения паводковыми водами р. Сырдарьи. По данным А.К.Штукенберга, просадочные деформации достигали 1 м и наблюдались просадочные блюдца диаметром в плане до 40 м. Однако причина этих деформаций была установлена ошибочно, так как ее считали результатом вымывания грунта из основания (9).
Впервые описание деформаций жилых сооружений на просадочных грунтах было сделано Б.П.Михеевым в 1930 г. на основе обследования домов в г. Грозном. Б.П.Михеев считал, что деформация произошла в результате повышения сжимаемости лессового грунта при водонасыщении (9).
В 1930 г. Ю.М.Абелев провел испытания покровных макропористых суглинков опытными штампами. При этом замачивание грунтов в основании штампов осуществлялось после полной стабилизации осадки при данном давлении. Эти опыты впервые установили явление просадки, которая выразилась в дополнительной осадке штампов при замачивании основания. Ранее это явление строителям не было известно. На основе проведенных опытов проф. Ю.М.Абелевым был разработан ив 1931 г. опубликован «Проект временной инструкции по проектированию и возведению промышленных и гражданских сооружений на лессовидных грунтах».
В 1930-1933 гг. под руководством Ю.М.Абелева были проведены исследования строительных свойств лессовых грунтов Кузбасса, северного Казахстана и других регионов и разрабатывались методы строительства жилых зданий и промышленных сооружений на просадочных грунтах. В дальнейшем эти методы были включены во «Временные технические условия проектирования и строительства на макропористых (лессовых) грунтах». В 1933-1934 гг. появляются работы В.И.Батыгина, Н.Я.Денисова и других исследователей с предложениями по оценке просадочных свойств грунтов в зависимости от их влажности и предела текучести. В 1935 г. Р.А.Токарем вносится предложение классифицировать лессовидные грунты не по их происхождению, являющемуся спорным, а по характерной для них макроструктуре.
В последние годы эффективные методы расчета и устройства оснований и фундаментов в сложных грунтовых условиях, в том числе на лессовых просадочных грунтах разработаны благодаря работам ученых: Н.А.Цытовича, М.В.Малышева, Е.А.Сорочана, Ю.А.Багдасарова, З.Г. Мартиросяна, Р.С.Зиангирова, П.А.Коновалова, Ю.К.Зарецкого, С.Б.Ухова, А.Л.Крыжановского и др.
Большие исследования по изучению особых свойств различных видов грунтов с учетом особенностей строительства на них выполнены учеными: М.Г.Зерцаловым, Л.Н.Рассказовым, Д.Н.Соболевым, И.Г.Филипповым, С.Н.Чернышевым, В.И.Шейниным, В.А.Ильичевым, В.Г.Ореховым.
3.1. Происхождение лессовых просадочных грунтов и их распространение на территории Казахстана.
Все лессовые макропористые грунты в основном имеют эоловое происхождение. Однако грунты с макропористой структурой могут относиться к делювиальным, аллювиальным, пролювиальным и элювиальным отложениям. В последнее время лессом начали называть грунты, которые имеют следующие признаки: макропористость, бесструктурность, содержат карбонаты и большое количество пылеватых частиц и характеризуются при замачивании под нагрузкой (2, 4, 6, 7, 9, 128, 129).
Размеры и формы макропор очень разнообразны. По мнению многих исследователей (И.И.Трофимов, А.К.Ларионов, В.П.Ананьев и др.), макропоры образовались в результате различных причин, и именно это определяет образование и размер макропор и их формы. Имеется много гипотез происхождения макропористых лессовых просадочных грунтов. Наиболее распространены эоловая гипотеза В.А.Обручева и др. (9), почвенная гипотеза Л.С.Берга и др. (128).
Исследования, выполненные в различных государствах, показали, что существенную роль при образовании рыхлых макропористых структур играют глинистые частицы. В результате высыхания глинистых цементов, которые соединяли пылеватые частицы между собой, возникли рыхлые, структуры в грунтах. Их удавалось разрушить в компрессионных приборах часто при давлениях, больших 0,05 МПа, и при одновременном замачивании. Итак, макропористая структура в глинистых грунтах образуется как в процессе генезиса в условиях сухого климата, так и в процессе диагенеза.
Как показали многочисленные исследования (9, 11, 21, 29, 128), проведенные в различных районах государств СНГ, Болгарии, Венгрии, Китае, США, Румынии и др., именно макропористая структура в основном определяет свойства просадочности лессовых просадочных грунтов при их замачивании под нагрузкой.
Площадь распространения макропористых лессовых грунтов на земном шаре составляет около 13 млн. кв. км, что составляет примерно 10% суши. Большие территории, занятые лессовыми грунтами, находятся в Казахстане, странах СНГ, Китае, Афганистане, США, Аргентине, Австрии, Северной Африке и во многих других странах мира. В бывшем СССР, в связи с быстрым освоением новых территорий и промышленных районов, проводились большие исследования по изучению мест распространения и особых свойств лессовых грунтов. Уже к 1932 г. были готовы основные данные по распространению лессовых грунтов (9, 23, 29, 51, 112).
Лессовые просадочные грунты относятся к континентальным субаэральным отложениям, принос материала для образования которых в каждой области считается различным (золовый, делювиальный, пролювиальный, аллювиальный, элювиальноделювиальный и смешанный аллювиально-пролювиальный, делювиально-пролювиальный и др.) (4, 7, 66, 128).
В большинстве районов мощность просадочной толщи изменяется в широких пределах от 5 до 30 м, а в отдельных районах и до 40 м.
3.2. Исследование особых свойств лессовых просадочных грунтов, особенности строительства зданий и сооружений на этих грунтах
3.2.1. Физические свойства лессовых просадочных грунтов
Изучению физических свойств лессовых просадочных грунтов посвящено много научных исследований (2, 4, 9, 22, 66, 67, 75, 76, 238, 239). Установленный удельный вес частиц лессовых грунтов изменяется в широких пределах от 2,51 до 2,84 г/см3. Лессовые грунты разного генетического типа имеют близкие значения удельного веса.
Удельный вес макропористых лессовых грунтов изменяется в пределах от 1,28 до 2,11 г/см. Еще в 1930х годах проф. Ю.М.Абелевым (9) было установлено, что удельный вес лессовых грунтов не является достоверной характеристикой механических свойств этих грунтов, так как его величина существенно зависит от влажности этого грунта. В связи с эти было предложено в качестве физической характеристики плотности лессового грунта использовать величину удельного веса сухого грунта. Многими учеными было установлено, что величина удельного веса сухого грунта макропористых лессовых грунтов однозначно определяет вероятнуюпросадочность лессового грунта ("косвенный признак" по Ю.М.Абелеву). Величина удельного веса сухого грунта макропористых лессовых грунтов естественного залегания изменяется в пределах обычно от 1,21 до 1,50 г/см3.
В большинстве случаев макропористые лессовые и лессовидные грунты характеризуются малой влажностью, которая изменяется в пределах от 6 до 11%. В некоторых местах в зависимости от уровня подземных вод влажность лессовых просадочных грунтов может быть на 57% выше по сравнению с природной влажностью таких же грунтов на аналогичных участках (78, 91, 98,99, 115, 129, 130,238).
Для лессовых и лессовидных грунтов значения пористости могут служить косвенной оценкой вероятности проявления просадочных свойств, а также прочностных и деформативных свойств. Для макропористых лессовых грунтов характерно наличие макропор, которые достигают нескольких миллиметров в диаметре. По данным исследователей В.П.Ананьева, А.К.Ларионова и др. (21, 22, 23, 139), макропоры составляют 68% общего объема пор. Суммарная пористость лессовых грунтов равна 3066%. Для большинства лессовых и лессовидных суглинков пористость изменяется в пределах 4554% (23, 140, 142, 143, 148, 182, 183).
Границы пластичности влажность на границе раскатывания и на границе текучести являются характеристиками химического состава грунтов, минералогического и гранулометрического составов грунтов, но не являются характеристикой деформируемости или прочности грунтов с ненарушенной структурой. Границы пластичности являются количественной оценкой для грунтов с нарушенной структурой.
Значение влажности на границе раскатывания для лессов просадочных грунтов обычно находится в пределах 1226%, а чаще всего составляют 1418%. Величина влажности на границе текучести для лессов просадочных грунтов изменяется в основном от 22 до 37% (9, 21, 43, 52, 54, 66, 67, 128, 143, 295).
3.2.2. Деформативные характеристики лессовых просадочных грунтов
При строительстве зданий и сооружений повышенной этажности на площадках с лессовыми просадочными грунтами особое значение имеет правильное определение всех деформационных характеристик и установление степени их изменения в процессе замачивания (2, 3, 9, 21, 26, 31, 54, 61, 70, 127, 128).
Деформационными характеристиками лессовых просадочных грунтов являются: модуль общей деформации, коэффициент сжимаемости а, относительное сжатие 8, коэффициент изменчивости сжимаемости а.
Модуль общей деформации используется для расчета возможных величин осадок фундаментов и их неравномерности и определяется, как правило, в полевых условиях путем испытания грунтов статическими нагрузками с использованием стандартных штампов площадью Б = 0,5 м . При определении модуля деформации по результатам компрессионных испытаний учитывается то, что значения его получаются в 1,510 раз меньше.
Модуль общей деформации лессовых просадочных грунтов зависит в основном от влажности, степени плотности, а также от их структурной связности и прочности. По мере повышения удельного веса сухого грунта модуль общей деформации возрастает, а с увеличением влажности уменьшается. При повышенной структурной прочности и связности грунтов при прочих равных условиях модуль общей деформации возрастает. Зависимости модуля общей деформации лессовых просадочных грунтов от степени их влажности и плотности могут быть получены лишь для отдельных регионов и видов грунтов, характеризующихся достаточно однородным составом и одинаковой структурной прочностью (2, 6, 8, 129, 130, 131).
В связи с тем, что модуль общей деформации лессовых просадочных грунтов зависит от влажности, его определяют при различных значениях влажности, но как минимум при двух: наиболее характерной минимальной для исследуемого района или установившейся и при полном водонасыщении.
Коэффициент изменчивости сжимаемости лессовых просадочных грунтов а представляет собой отношение характеристик сжимаемости при природной или установившейся влажности и в водонасыщенном состоянии
Сопоставление коэффициентов изменчивости сжимаемости лессовых просадочных грунтов, получаемых по полевым и лабораторным исследованиям, показывает, что они отличаются в пределах 0,652 раза. С увеличением степени повышения влажности просадочного грунта при его постепенном замачивании коэффициент изменчивости сжимаемости а возрастает до максимального значения, соответствующего полному водонасыщению грунта.
Исследования деформационных характеристик водонасыщенных макропористых лессовых грунтов, то есть когда 80% пор или более заполнены водой, показали, что водонасыщенные лессовые грунты могут характеризоваться теми же закономерностями, как и другие водонасыщенные глинистые грунты.
Цифра 80% принята в качестве критерия водонасыщенных лессовых грунтов, потому что, как показали многочисленные опыты, проведенные Ларионовым А.К (139, 140), Н.И.Кригерем (126, 127), А.А.Ананьевым (21, 22, 23) и др., в большинстве лессов и лессовидных суглинков от 8 до 20% пор являются замкнутыми и в обычных условиях в эти поры не попадает вода. Поэтому считается при 80% водонасыщения все соединенные между собой поры и макропоры будут заполнены водой. Замкнутые поры как правило находятся внутри агрегатов из пылеватых и глинистых частиц в составе лессовых грунтов.
3.2.3. Показатели и критерии просадочности грунтов
В качестве расчетной характеристики просадочных свойств лессовых грунтов оснований Ю.М.Абелев (1934 г.) предложил характеристику "относительную просадочность грунта". Эта величина показывает, насколько увеличится относительная дополнительная осадка при замачивании грунта под нагрузкой. Однако оказалось, что величина относительной просадочности не является постоянной величиной для одних и тех же лессовых просадочных грунтов, а существенно зависит от величины вертикального давления, приложенного к образцу лессового грунта в компрессионном приборе. Специальные исследования, проведенные под руководством проф. Ю.М.Абелева в 1932-1947 гг., показали, что с увеличением давления до 0,3 МПа величина относительной просадочности существенно увеличивается, а при давлении больше 0,3 МПа на образец лессового грунта в компрессионном приборе с последующим замачиванием эта характеристика изменяется незначительно. Так, при давлении 0,5 МПа величина относительной просадочности для очень многих исследованных образцов лессовых грунтов оказалось на 414% больше величины относительной просадочности, определенной при давлении 0,3 МПа.
Основными характеристиками просадочных грунтов, определяющими их специфические свойства, являются: относительная просадочность, начальное просадочное давление и начальная просадочная влажность .
При проектировании оснований и фундаментов на просадочных грунтах учитывается возможность повышения их влажности вследствие:
- замачивания грунтов сверху из внешних источников или снизу при подъеме уровня грунтовых вод;
- постепенного накопления влаги в грунте в связи с инфильтрацией поверхностных вод и экранированием поверхности;
- одновременного замачивания грунтов сверху и постепенного накопления влаги в грунте.
Просадочные деформации подразделяются на следующие виды:
просадка фундаментов от их нагрузки, происходящая в пределах деформируемой зоны, располагающейся от подошвы фундамента до глубины, на которой суммарные вертикальные давления от нагрузки фундамента и собственного веса грунта равны начальному просадочному давлению;
- максимальная просадка грунтов от собственного веса, происходящая в нижней части просадочной толщи при замачивании;
- возможная просадка грунтов от собственного веса;
- горизонтальное перемещение, возникающее при просадке грунтов от собственного веса в пределах криволинейных участков просадки грунта.
В зависимости от возможности проявления просадок грунта от собственного веса (СНиП 2.02.0183*) грунтовые условия строительных площадок подразделяются на два типа:
I тип когда просадка грунта происходит в основном в пределах деформируемой зоны основания от нагрузки фундаментов или другой внешней нагрузки, а просадка от собственного веса отсутствует или не превышает 5 см;
II тип когда наряду с просадкой грунта от нагрузки фундамента в нижней части просадочной толщи возможна просадка грунта от его собственного веса более 5 см.
3.2.4. Прочностные характеристики лессовых просадочных грунтов
При проектировании и строительстве зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах обоснованное решение инженерных задач зависит от правильного определения прочностных характеристик этих грунтов и степени их изменения при замачивании. Прочностными характеристиками просадочных, как и обычных, грунтов являются удельное сцепление и угол внутреннего трения , которые зависят в основном от их степени влажности, структурной прочности и в меньшей мере плотности. С повышением влажности просадочного грунта до полного водонасыщения сцепление снижается в 210 раз, угол внутреннего трения в 1,05 2 раза. С увеличением структурной прочности прочностные характеристики и, особенно, сцепление возрастают. Так же, как и для обычных грунтов при повышении степени плотности сцепление и угол внутреннего трения возрастают (2, 5, 66, 68, 71, 128, 129, 130, 131, 132, 133,250).
В связи с изложенным выше прочностные характеристики просадочных грунтов должны определяться с учетом степени их влажности при, как минимум, двух состояниях: при природной или установившейся влажности, которая будет в процессе строительства и эксплуатации, и в водонасыщенном состоянии. При достаточно большом объеме исследований целесообразно определять показатели для различной степени повышения влажности с тем, чтобы получить зависимости от влажности в диапазоне ее изменения от природной до полного водонасыщения.
Многочисленными исследованиями установлено, что прочностные характеристики лессовых просадочных грунтов естественной структуры в водонасыщенном состоянии в значительной степени зависят от условий проведения испытаний на сдвиг и, в частности от давления предварительного уплотнения (2, 9, 11, 60, 69, 76, 99, 128, 182, 227, 250).
Исследования прочностных свойств, выполненные на образцах лессовых супесей и суглинков юга Украины и Северного Кавказа, позволили проф. Ю.М.Абелеву рекомендовать для лессов при изменении влажности от 7 до 11% величину угла внутреннего трения 31°. Для лессовидных суглинков при влажности на 35% меньшей влажности на границе раскатывания, угол внутреннего трения принят равным 27°. Величина сцепления для этих грунтов обычно изменяется в пределах 0,0250,04 МПа.
При просадке нарушается природная структура лессовых макропористых грунтов и прочность грунтов при этом будет очень низкой. Впервые количественные исследования этого процесса были проведены М.Н.Гольдштейном (60, 61).
3.2.5. Фильтрационные свойства лессовых просадочных грунтов
На основании многочисленных исследований (Ф.Л.Андрухин, Ю.М.Абелев, А.М.Дранников и др.) было установлено, что именно специфическая макропористая структура лессовых грунтов и вытянутость капиллярных каналов в вертикальном направлении обуславливают анизотропность различных свойств макропористых лессовых грунтов природной структуры, и особенно фильтрационных свойств. В вертикальном направлении для лес сов значение коэффициента фильтрации в 2,59 раз больше, чем в горизонтальном направлении. Для лессовидных суглинков коэффициент фильтрации в вертикальном направлении превышает коэффициент фильтрации в горизонтальном направлении в 530 раз (9,31,50,70, 87, 110, 132, 169,205,250).
Для целого ряда инженерных задач важно знать, как изменяются фильтрационные характеристики при уплотнении макропористых лессовых грунтов. Сложность проведения экспериментальных исследований для определения характеристик проницаемости обусловлена тем, что многие виды макропористых лессовых грунтов содержат легкорастворимые соли. Кроме того, при движении воды сквозь слой лессовых макропористых грунтов наблюдаются процессы суффозии. Суффозионные процессы в макропористых лессовых грунтах наблюдаются при определенных градиентах напора, характерных для данного лессового грунта, и при определенном времени движения воды сквозь грунт. Коэффициент проницаемости макропористых лессовых грунтов должен определяться с учетом той жидкости, которая будет фильтроваться через грунт. Коэффициент фильтрации грунтов, определенный при фильтрации сквозь образец грунта керосина, морской и дистиллированной воды, а также растворов кислоты, характеризовался данными, которые отличались друг от друга до 300 раз.
3.3. Анализ исследований методов проектирования оснований и фундаментов на лессовых просадочных грунтах
Принцип проектирования оснований по предельным состояниям взамен принятого по допускаемым давлениям, исходя из условий совместной работы всей конструкции в целом с основанием, т.е. с учетом особенностей физико механических свойств лессовых грунтов основания и специфики работы конструкции данного здания впервые был предложен проф. Ю.М.Абелевым. Этот принцип положен в основу современного проектирования конструкций и оснований зданий и сооружений.
Защита от замачивания просадочных лессовых грунтов в основаниях зданий и сооружений является очень сложным вопросом. Об этом свидетельствует результаты анализа многочисленных аварий и деформаций гражданских зданий и промышленных сооружений на лессовых просадочных грунтах.
Для предотвращения аварий и деформаций зданий и сооружений были разработаны водозащитные мероприятия и методы приспособления надземных конструкций промышленных и гражданских зданий к неравномерным осадкам фундаментов. Было предложено пять вариантов проектирования оснований фундаментов зданий и сооружений, где дополнительно к вышеуказанному предлагалось устранение просадочных свойств грунтов, применение искусственных оснований, прорезка просадочной толщи глубокими фундаментами и т.д. (8, 9, 10, 11, 129, 131).
Для водонасыщенных лессовых грунтов расчет времени уплотнения (консолидации) грунтов основания производится также как и для водонасыщенных глинистых грунтов. Следовательно, суммарная деформация просадочных лессовых грунтов основания и обусловленная ею максимально возможная осадка и просадка зданий зависят от толщины слоя просадочного грунта, его особых свойств, величины начального просадочного давления, длительности и условий замачивания, от состава замачиваемых жидкостей и т.д. (2, 29, 61, 71, 75, 99, 101, 258, 276, 277).
Научные исследования по изучению напряженно деформированного состояния грунтов в основании жестких штампов впервые были выполнены Г.И.Кравцовым. На основании этих исследований был сделан вывод о том, что происходит концентрация напряжений в пределах сжимаемой зоны, однако возможно применять теорию упругости для описания напряженного состояния в основании штампа.
Под руководством проф. М.Ю.Абелева [9] были проведены ценные исследования для определения напряженно деформированного состояния в лессовых грунтах с малой влажностью и в водонасыщенных лессовых грунтах под жесткими фундаментами и штампами в гг. Грозный и Георгиевск. Анализ результатов исследования контактных напряжений под жестким фундаментом показал следующее. Распределение контактных напряжений под жесткими фундаментами на маловлажных лессовых грунтах до достижения среднего давления под подошвой фундамента 0,30,35 МПа удовлетворительно соответствует аналитическим решениям по теории упругости. Во всех опытах на маловлажных лессовых фунтах максимальные напряжения возникли под краями штампа. До давления 0,35 МПа эпюры контактных напряжений не изменялись. Для водонасыщенных фунтов при исследовании распределения контактных напряжений в основании круглого жесткого штампа было установлено, что первоначально распределение контактных напряжений происходит с небольшим отклонением от решения И.Я.Штаермана (теория упругости). Начиная с определенного значения среднего давления под подошвой штампа, которое численно равно давлению, определяемому по формуле Пузыревского, с учетом развития пластических зон под краями штампа на глубине 0,250,35 ширины штампа, наблюдается трансформация эпюры контактных напряжений. При нагрузках на штамп, близких к предельным, т.е. когда наблюдается потеря устойчивости штампа на водонасыщенных лессовых фунтах, эпюра контактных напряжений приобретает параболическую форму с максимальной ординатой под центром штампа (9, 128).
Исследования распределения вертикальных деформаций показали, что деформации в основании жесткого штампа на водонасыщенных лессовых грунтах распространяются на значительно большую глубину, чем это прогнозируется расчетами по существующим нормативным документам. Глубина зоны распространения вертикальных деформаций в основании фундаментов увеличивается по мере увеличения нагрузки на фундамент. Исследования распределения горизонтальных напряжений под жесткими штампами показали, что эти напряжения распределяются более концентрированно относительно вертикальной оси, проходящей через центр жесткого штампа, по сравнению с распределением напряжений по теории упругости. Концентрация напряженных и деформированных зон вдоль центральной оси под подошвой жесткого круглого штампа может быть объяснена тем, что при больших давлениях на фундаменты возникают нелинейные соотношения между напряжениями и деформациями лессовых грунтов. Исследованиями было установлено, что применение теории упругости для расчета фундаментов на лессовых грунтах возможно до определенных давлений под подошвой фундамента, равных расчетному сопротивлению грунта.
3.4. Анализ методов устройства искусственных оснований зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах
3.4.1. Виды искусственных оснований
При строительстве зданий и сооружений повышенной этажности на лессовых просадочных грунтах производятся работы по улучшению прочностных и деформационных характеристик этих грунтов, т.е. создаются искусственные основания, которые, как и все другие несжимаемые или мало сжимаемые грунты, могут служить основанием фундаментов различных зданий, сооружений и инженерных коммуникаций и обеспечивают минимальную осадку и просадку и тем самым благоприятствуют совместной работе оснований, фундаментов и зданий (обеспечение нормальной эксплуатации зданий и сооружений приминимальных разницах осадок и появлении кренов).
Искусственные основания выполняются поверхностным и глубинным уплотнением и закреплением лессовых просадочных грунтов в основаниях зданий, сооружений и инженерных коммуникаций. Поверхностное уплотнение грунтов производится устройством грунтовых подушек, вытрамбованием котлованов, уплотнением грунтов тяжелыми трамбовками и катками. Глубинное уплотнение грунтов производится устройством грунтовых свай, предварительным замачиванием и глубинными взрывами. Закрепление грунтов производится методами силикатизации, термического закрепления и т.д. (9, 11,66, 67, 116, 128, 143, 182).
3.4.2. Устройство грунтовых подушек
Грунтовые подушки выполняются уплотнением грунта в пределах деформируемой зоны основания фундаментов послойной отсыпкой местных грунтов и последующим их послойным уплотнением укаткой или трамбованием (8, 9, 10, 67, 128, 250).
Устройство грунтовых подушек на площадках с I типом грунтовых условий полностью исключает возможность проявления просадки грунтов.
На площадках со II типом грунтовых условий грунтовые подушки устраняют частично или полностью просадочные деформации только в пределах деформируемой зоны от нагрузки фундаментов зданий и сооружений, инженерного оборудования и инженерных коммуникаций. При этом возможность проявления просадки грунта от собственного веса при замачивании сохраняется. Полное устранение просадочных свойств на таких площадках достигается предварительным замачиванием лессовых просадочных грунтов.
Проектирование и устройство грунтовых подушек производится не только исходя из грунтовых условий, но и в зависимости от конструктивных особенностей строящегося здания или сооружения, типа фундаментов и допускаемых нагрузок на грунтовые подушки на уровне подошвы фундаментов, чувствительности зданий и сооружений к неравномерным осадкам и т.д. (8,9, 121, 129,258).
Выбор грунта для устройства грунтовых подушек производится в основном в зависимости от местных грунтовых условий и целевого назначения применения подушек. При возведении грунтовых подушек с целью создания сплошного водонепроницаемого экрана необходимо применять лессовидные глины и суглинки, так как в этих случаях достигается небольшая их водонепроницаемость. Дренирующие материалы (песок, шлак и т. п.) для устройства грунтовых подушек допускается применять с учетом их технико экономических показателей только на площадках с I типом грунтовых условий по просадочности.
Грунтовые подушки должны устраиваться из однородных грунтов оптимальной влажности. При уплотнении грунта в подушках трамбованием оптимальная влажность принимается равной 0,0...0,03; при уплотнении укаткой равной влажности на границе раскатывания При влажности грунта, применяемого для возведения подушки, ниже оптимальной более чем на 0,03 (в абсолютном значении) должно производиться доувлажнение его до оптимальной влажности.
При устройстве грунтовых подушек с целью ликвидации просадочных свойств основания удельный вес сухого грунта должен быть не менее 1,601,65 г/см3, но не менее величины, при которой просадка грунта исключается, а при устройстве подушек с целью создания сплошного водонепроницаемого экрана не менее 1,70 г/см3.
3.4.3. Вытрамбование котлованов
Одним из видов поверхностного уплотнения лессовых просадочных грунтов является вытрамбование котлованов (9, 128, 129). Вытрамбование котлованов под фундаменты производится уплотнением грунта путем сбрасывания в одно и то же место с высоты 48 м трамбовки весом 15100 кН. Эта трамбовка, как правило, часто выполняется в виде формы будущего фундамента. Вытрамбование котлованов под фундаменты применяется в просадочных грунтах I типа, т.е. в основном тогда, когда в нижних слоях просадочных грунтов отсутствует их просадка от собственного веса или она устранена замачиванием грунтов и т.д. (2, 7, 8, 9, 128, 129, 131, 133, 135).
Для вытрамбования котлованов применяются краны, экскаваторы и т.д. с установкой на них специального навесного оборудования. Это оборудование состоит из трамбовки, направляющей стойки или рамы и сбросной каретки.
При вытрамбовании котлованов эффективность вытрамбования определяется в основном теми же факторами, что и эффективность уплотнения грунтов тяжелыми трамбовками.
Котлованы вытрамбовываются под отдельно стоящие фундаменты с плоской или заостренной подошвой, ленточные прерывистые фундаменты, а также фундаменты с уширенным основанием, получаемым путем втрамбовывания отдельными порциями в дно вытрамбованного котлована жесткого материала (щебня, гравия и т.д.).
До начала работ по вытрамбовыванию котлованов обычно проводятся опытные работы в два этапа. На первом отрабатывается технология производства работ. При этом определяют среднее число ударов трамбовки, заданного веса, оптимальную высоту сбрасывания и т.д. На втором этапе определяются плотность сухого грунта, влажность, прочностные характеристики ср и с уплотненного грунта, размеры уплотненной зоны вокруг вытрамбованного котлована, а также размеры уширенного основания при втрамбовании в дно котлована жесткого материала.
Смещение центров вытрамбованных котлованов от принятых в проектах положений не должно превышать 0,1 его ширины по верху или 0,05 при наличии стакана для установки колонны. После проверки качества выполненных работ готовые котлованы сдают под бетонирование.
3.4.4. Глубинное уплотнение лессовых просадочных грунтов пробивкой скважин
Для глубинного уплотнения лессовых просадочных грунтов, особенно для грунтовых условий II типа по просадочности, применяется метод пробивки скважин (6, 9, 23, 128, 182).
Глубинное уплотнение грунтов пробивкой скважин (грунтовыми сваями) заключается в том, что в уплотняемом массиве пробивают ударным снарядом скважины с вытеснением грунта в стороны и созданием вокруг них уплотненных зон. Затем эти скважины засыпают местным грунтом с послойным уплотнением тем же снарядом. При расположении скважин на определенных расстояниях /, обычно изменяющихся от 2,5 до 5 диаметров скважины, получается массив уплотненного грунта, характеризующийся повышенными прочностными характеристиками и более низкой сжимаемостью. За счет частичного выпора грунта при пробивке скважин верхняя часть уплотненного массива, называемая буферным слоем, разуплотняется и перед закладкой фундаментов ее снимают или доуплотняют (2, 9, 128).
Для пробивки скважин и уплотнения засыпаемого в них грунта применяются станки ударно-канатного бурения БС1М или БС2 и навесное оборудование к крану-экскаватору. Станки БС1М имеют штангу (ударный снаряд) весом 2832 кН с наконечником диаметром 325425 мм и обеспечивают 4452 удара в 1 мин с высоты 0,91,1 м, при которых достигается пробивка скважин диаметром 0,50,55 м и создается уплотненная зона радиусом 0,70,9 м.
Навесное оборудование к крану-экскаватору для пробивки скважин включает направляющую штангу и пробивной снаряд в виде штанги с наконечником диаметром 520820 мм, весом 3055 кН, сбрасываемый с высоты 410 м. При таком диаметре наконечника обеспечивается возможность пробивки скважин диаметром 0,71 м и создания уплотненной зоны радиусом 1,21,8 м.
При необходимости повышения прочности в нижней части уплотненного массива и создания под ним основания повышенной несущей способности в дно пробитой скважины втрамбовывается жесткий грунтовый материал (щебень, гравий, песчано-гравийная смесь, крупный песок и т. п.). -
Засыпка верхней части скважин, а также по всей их глубине в случае применения обычного глубинного уплотнения выполняется местным лессовым или глинистым грунтом с влажностью, близкой к оптимальной. Отклонение влажности засыпаемого в скважины глинистого грунта от оптимальной допускается не более чем на +0,02 или 0,06.
3.4.5. Уплотнение лессовых просадочных грунтов предварительным замачиванием
Метод уплотнения лессовых просадочных грунтов предварительным замачиванием основывается на учете способности их при замачивании самоуплотняться под действием собственного веса грунта. Уплотнение просадочных грунтов от собственного веса проявляется с некоторой глубины, на которой напряжения от собственного веса водонасыщенного грунта превышают величину начального просадочного давления. Вследствие этого происходит уплотнение просадочных грунтов только в пределах их нижней толщи, а верхние слои грунта остаются неуплотненными (6, 8, 9, 22, 43, 54, 63). В нижних слоях происходит повышение значения удельного веса сухого грунта до состояния, соответствующего напряженному состоянию от собственного веса грунта. Удельный вес сухого грунта значительно (на 1,52,0 кН/м3) повышается с глубины 69 м, начиная с которой происходит просадка грунта от собственного веса. При этом повышаются их прочностные характеристики и снижается сжимаемость.
В зоне развития дополнительных напряжений от нагрузки фундаментов может происходить дальнейшее уплотнение и просадка грунта. Поэтому при передаче на массив уплотненного грунта дополнительных давлений от веса возводимых сооружений уплотнение просадочных грунтов предварительным замачиванием должно комбинироваться с другими методами, позволяющими устранить просадочные свойства грунтов в пределах деформируемой зоны от нагрузки фундаментов (8, 43, 50, 63, 128, 129).
В отношении грунтовых условий уплотнение просадочных грунтов предварительным замачиванием целесообразно применять при возможных просадках грунтов от собственного веса более 1530 см, залегании сверху супесей и легких суглинков, отсутствии водоупорных слоев в пределах уплотняемой толщи, наличии в нижней части ее дренирующих слоев, обеспечивающих быстрый отток свободной воды.
Наиболее благоприятные условия проявления просадок грунтов от собственного веса создаются в случаях, когда степень влажности их повышается до 0,75-0,85. При этой степени влажности прочностные и деформационные характеристики просадочных грунтов снижаются до минимально возможных величин, а частичное заполнение пор грунта воздухом способствует относительно быстрому протеканию деформаций уплотнения. В случае полного заполнения пор грунта водой консолидация водонасыщенного грунта связана с отжатием избыточной воды и протекает в более длительные сроки (6, 8,9).
В связи с тем, что просадки грунта от собственного веса зависят от ширины замачиваемой площади, размеры замачиваемых котлованов и отдельных карт должны назначаться такими, при которых в пределах участка расположения будущего здания или сооружения практически полностью устраняется просадка фунта от его собственного веса.
Уплотнение предварительным замачиванием применяется при строительстве на просадочных грунтах II типа промышленных и жилых зданий и инженерных коммуникаций различного назначения.
3.4.6. Закрепление лессовых просадочных грунтов способом силикатизации
При строительстве на лессовых просадочных грунтах при необходимости повышения несущей способности оснований, то есть для устройства искусственного основания применяется метод силикатизации грунтов в основании. Этот метод применим при коэффициенте фильтрации лессовых просадочных грунтов от 0,2 до 2,0 м/сут. Силикатизация осуществляется путем нагнетания в грунт через систему инъекторов или скважин водных растворов на основе силиката натрия (9, 128, 130).
Для закрепления лессовых просадочных грунтов применяются однорастворная силикатизация на основе силиката натрия и газовая силикатизация на основе силиката натрия и углекислого газа. При этом реакция среды закрепляющих реагентов является щелочной, а областью применения обоих методов являются лессовые просадочные грунты с емкостью поглощения не менее 10 мгэкв на 100 г сухого грунта и степенью влажности не более 0,7. После закрепления прочность грунтов составляет от 0,5 до 3,5 МПа.
При силикатизации особое значение имеет правильный выбор плотности раствора силиката натрия, состав и плотность отвердителя, объемное соотношение отвердителя к крепителю и т.д. При газовой силикатизации лессовых просадочных грунтов плотность крепителя должна быть от 1,1 до 1,2 г/м расход крепителя в долях объема пор 0,8 и расход отвердителя на 1 м3 грунта 57,5 кг. В грунт по очереди закачиваются углекислый газ (23 кг), силикат натрия и еще углекислый газ (34,5 кг).
Расчетный радиус закрепления при силикатизации зависит от водопроницаемости грунтов и с увеличением коэффициента фильтрации от 0,2 до 2 м/сут увеличивается от 0,4 до 1 м.
При закреплении лессовых грунтов силикатизацией применяются следующие конструктивные схемы:
1) образование сплошных массивов из закрепленного грунта под отдельные или ленточные фундаменты, либо под все сооружений в целом; по этой схеме, как правило, предусматривается вынос закрепления за контуры фундамента;
2) армирование грунтов основания в деформируемой зоне отдельными элементами из закрепленного грунта, при котором непосредственно под подошвой фундамента остаются участки незакрепленного грунта;
3) комбинированная схема, предусматривающая сплошное закрепление на некоторую глубину непосредственно под подошвой фундамента и армирование элементами из закрепленного грунта лежащей ниже просадочной толщи, либо образование опорного слоя из закрепленного грунта и армирование лежащей выше просадочной толщи отдельными элементами из закрепленного грунта.
3.4.7. Термическое закрепление лессовых просадочных грунтов
Для закрепления лессовых просадочных грунтов в течение установленного времени через грунт пропускаются раскаленный воздух или раскаленные газы при температуре 300-800°С, и под действием высокой температуры отдельные минералы, входящие в состав скелета просадочныхгрунтов, оплавляются. В результате этого возникает высокая прочность контактов между отдельными частицами и агрегатами частиц. При этом грунты теряют значительную часть химически связанной воды. Это изменяет свойства лессовых просадочных грунтов и уменьшает или полностью ликвидирует возможность проявления просадочных деформаций при утечках воды. (9, 128, 131).
Метод термической обработки просадочных лессовых грунтов впервые предложил Н.А.Осташов (1934 г.). Термическая обработка лессовых просадочных грунтов производится обычно по следующей технологии. Пробуривают скважины диаметром 100-200 мм, которые закрывают специальными керамическими затворами. В затворе оборудуется камера сгорания. К затвору подают топливо (горючие газы, соляровое масло, нефть, керосин и т.п.) и воздух под давлением. Регулировка температуры производится регулированием подаваемого сжатого воздуха и топлива. При использовании газового топлива верхняя часть скважины нагревается теплом, исходящим от факела, а нижняя горячими газами сгорания, увлекаемыми в скважину сжатым воздухом и проникающими в поры грунта.
Как подтвердили исследования, температура горения газов в скважине не должна превышать 750-850°С. Если температура газов становится выше, происходит оплавление стенок скважины и стенки становятся газонепроницаемыми. В этом случае скважина становится непригодной для дальнейшего обжига грунтов.
Были изучены свойства образцов лессовых просадочных грунтов, обработанных раскаленными газами при температуре 200, 300 и 400°С. Оказалось, что образцы, обработанные при температуре 200°С, характеризовались большей просадочностью, чем образцы естественного сложения. При действии температуры больше 300°С грунты стали совершенно непросадочными.
В дальнейшем были предложены другие методы термического обжига лессовых просадочных грунтов. По методу И.М.Литвинова [159] сгорание топлива происходит в верхней части скважины и обработка грунта по глубине раскаленными продуктами сгорания идет с верхних слоев до нижних. В 1962 г. И.Д.Фальков предложил новый способ термического обжига лессовых просадочных грунтов, который позволяет сжигать топливо по всей высоте скважины. В результате этого можно создавать обожженные грунтовые массивы (термосваи) с уширением вниз или вверх. При этом методе сроки обжига сокращаются, а технология работ значительно упрощается. Особенность обжига грунтов по этому методу заключается в том, что в скважине в струе кислорода сжигается металл (обычно отрезки металлических трубок или стержней).
Выводы по главе III
1. Лессовые просадочные грунты занимают большие территории города Костанай и часто используются в качестве оснований гражданских и промышленных сооружений. Как показали исследования, проектирование и строительство зданий повышенной этажности на лессовых просадочных грунтах с обеспечением их нормальной эксплуатации является сложной проблемой. Сложность проблемы определяется разнообразием возводимых зданий, а также их конструктивные особенности, специфическим и сложным механизмом развития просадочных деформаций, особенно при замачивании грунтов растворами различного химического состава.
2. В связи с утечками из инженерных коммуникаций поднялся уровень подземных вод (УПВ) и вместо маловлажных просадочных грунтов в настоящее время залегают водонасыщенные сильносжимаемые лессовые грунты.
3. На основе многолетних лабораторных и полевых исследований установлены и изучены основные особенности, сущность, природа, номенклатурные показатели, критерии и основные характеристики лессовых проса дочных грунтов.
4. Установлено, что основная часть аварий и деформаций зданий, сооружений и инженерных коммуникаций на лессовых просадочных грунтах произошла в результате замачивания грунтов в их основаниях в первую очередь при утечках воды и стоков из инженерных коммуникаций.
5. Во избежание аварий при строительстве зданий, сооружений и инженерных коммуникаций на лессовых просадочных грунтах необходимо учесть, что значения физических и механических характеристик этих грунтов изменяются в широких пределах, а значения деформационных и прочностных характеристик должны быть определены для естественного состояния грунтов и при их полном водонасыщении. При необходимости результаты лабораторных исследований должны быть сопоставлены с результатами полевых исследований грунтов.
6. В настоящее время разработано большое количество нормативных документов, позволяющих производить изыскания, проектирование и строительство на просадочных лессовых грунтах на уровне европейских стандартов (ЕЭС). Однако проблеме изысканий, проектирования и строительства промышленных и гражданских сооружений на насыщенных сточными водами лессовых грунтах, в том числе и при высоком уровне расположения агрессивных грунтовых вод, является не решенной.