3.2 Проектирование и устройство грунтовых подушек

В наиболее напряженной зоне под фундаментами слабый грунт заменяется подушками из песка, гравия, щебня и других материалов. Основные требования к материалу подушек: малая сжимаемость, высокое сопротивление сдвигу, удобоукладываемость с заданной плотностью.

При устройстве песчаных подушек песок средний или крупный отсыпают в котлован и уплотняют либо послойно, либо в пределах всей высоты. При уплотнении должна быть обеспечена плотность грунта в сухом состоянии не менее 1,65 г/см³.

Расчет песчаных подушек сводится к определению их размеров и осадок таких оснований. Расчетное сопротивление грунта подушки принимается как для песков средней плотности. Высота выбирается таким образом, чтобы давление на подстилающий слой не превышало расчетного сопротивления R этого грунта. Для обеспечения устойчивости основания песчаная подушка должна также иметь достаточную ширину.

Принято считать, что устойчивость подушки заведомо обеспечена при распределении давления в ней под углом , составляющим 30–45 (рисунок 3.1). При этом для более слабых грунтов угол  принимается больше. В этом случае ширина подушки по низу

.

Рисунок 3.1 – Схема фундамента на песчаной подушке

При значительной высоте подушки ее объем получается достаточно большим. Другое значение ширины подушки может быть получено по методу Б.И. Далматова исходя из устойчивости призмы песка АВС – случай 1 (рисунок 3.2, а) или ABCD – случай 2 (рисунок 3.2, б). При расчете учитывается трение песка по поверхности АС и активное давление слабого грунта на вертикальную грань песчаной подушки, принимаемое равным гидростатическому давлению от собственного веса грунта. В случае «б» учитывают также

трение песчаной подушки о подстилающий слабый грунт на участке l (CD). Если ограничиться расчетом по случаю 1, то задавшись размерами песчаной подушки и несколькими положениями возможной поверхности скольжения АС (различные значения угла ), последовательными приближениями находят наименьшее давление по подошве фундамента, соответствующее условиям предельного равновесия:

,

где  и _р – удельный вес заменяемого грунта и материала подушки соответственно; _р – расчетное значение угла внутреннего трения материала подушки; (остальные обозначения приведены на рисунке 3.2).

а) б)

Рисунок 3.2 – Расчетные схемы песчаных подушек по Б.И. Далматову:

а – случай 1; б – случай 2

Среднее давление по подошве фундамента должно удовлетворять условию

где _с – коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,1–1,2; _n – коэффициент условий работы.

3.3 Поверхностное уплотнение грунтов

Поверхностное уплотнение грунтов применяется для устройства грунтовых подушек, устранения просадочных свойств макропористых грунтов, улучшения прочностных свойств и уменьшения сжимаемости грунтов.

Уплотнение грунтов ведется при оптимальной влажности w_opt, для чего добавляется количество воды, т, на 1 м³ грунта:

,

где w_opt – оптимальная влажность в долях единицы; w – естественная влажность грунта перед увлажнением; _d – плотность грунта в сухом состоянии.

Оптимальная влажность принимается равной: для песка – 0,07–0,11; для супеси – 0,09–0,14; для суглинка – 0,13–0,19; для глины – 0,18–0,24. В тех случаях, когда w > w_opt, грунт перед уплотнением подсушивают.

Уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками. Такой способ уплотнения применяется для грунтов со степенью влажности S_r  0,6. Крупнообломочные грунты могут уплотняться при любой влажности. Для уплотнения грунтов используют металлические или железобетонные трамбовки массой от 2 до 10 т и более, подъем и сбрасывание которых производят с высоты 4–8 м и более. При этом создается слой уплотненного грунта 1,5–6 м (таблица 3.2).

Таблица 3.2 – Толщина уплотняемого слоя грунта

Уплотняющие машины и снаряды	Мощность уплотняемого слоя, м
Пневматические трамбовки Катки: гладкие кулачковые Виброкатки Катки с падающим грузом массой 0,8–1,7 т Виброплиты Тяжелые трамбовки массой, т: 2–3 4,5–5 10	0,1–0,2 0,1–0,25 0,2–0,35 0,4–1,2 1,0–1,5 0,2–0,6 1,5–2,0 2,5–3,0 5,5–6,0

Мощность достаточно уплотненного слоя, м, можно приближенно определить по формуле

,

где d₀ – диаметр рабочей поверхности трамбовки, м; k – коэффициент уплотняемости, принимаемый: для: песка – 1,55, супеси – 1,45, просадочных грунтов – 1,2–1,3, насыпного глинистого грунта – 1,2, глины природного сложения – 1.

При этом необходимо добиться, чтобы плотность сухого грунта на нижней границе уплотненного слоя была не меньше значений, приведенных в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Минимальные значения плотности сухого грунта на нижней границе уплотненного слоя

Грунты	d, т/м3
Пески Супеси Суглинки и глины в зависимости от IL Лессовые просадочные	1,6 1,65 1,55–1,75 1,6

Вытрамбовывание котлованов. Данный метод устройства фундаментов применяется обычно при строительстве легких каркасных зданий на просадочных, насыпных и других, преимущественно связных, грунтах при степени влажности S_r < 0,7 и нагрузках на фундаменты примерно до 3 МН.

Котлованы под фундаменты заданной глубины вытрамбовываются сбрасыванием трамбовок массой 1,5–10 т с высоты 5–10 м. Чаще всего трамбовки имеют форму усеченной пирамиды или более сложной конфигурации. Так, например, при строительстве цехов ПО «Коралл» в г. Гомеле были использованы фундаменты в вытрамбованных котлованах с вытрамбованными в нижней части коническими сваями. Вытрамбовывание производилось специальными штампами (рисунок 3.3) с применением сваебойного копра.

Последовательность работ следующая: снимается почвенно-раститель­ный слой, производится вытрамбовывание котлована заданного размера, в котлован укладывается бетонная смесь с устройством стакана для колонны. В основании образуется зона уплотненного грунта с плотностью в сухом состоянии _d = 1,6–1,9 т/м³.

При слабых грунтах в котлован может втрамбовываться щебень, в результате чего образуется уширение, что ведет к увеличению несущей способности основания.

Укатка грунтов Этот способ применяют при послойной укладке грунтов. Толщина уплотняемого слоя указана в таблице 3.2. По каждому слою каток делает до 8–10 проходов. Для уменьшения объемов работ за счет повышения эффективности укатки грунт уплотняют при оптимальной влажности. Определить оптимальную влажность можно экспериментально, уплотняя образцы при различной влажности ручным трамбованием, или по формуле

,

где w_P – влажность на границе пластичности (раскатывания); w – изменение влажности, принимаемое в пределах 0,01–0,03.

В ходе уплотнения контролируют влажность и плотность сухого грунта и уточняют количество проходок катка.

Рисунок 3.3 – Вид штампа для вытрамбовывания котлована

Поверхностное уплотнение грунтов вибрированием. Этот способ применяется при послойном уплотнении песчаного или рыхлого насыпного связного грунта. Масса средств для виброуплотнения может колебаться от 0,25 до 20 т. Толщина уплотняемого слоя в зависимости от вида оборудования указана в таблице 3.2. Уплотнение ведется до почти полного прекращения остаточного оседания поверхности грунта (до «отказа»).