Главаii естественные основания

М.1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГРУНТОВ

Оси ИНЫМ исходным млтсрнллом при проектировании фундаментов служит нижспсрио-гсологичсская обстановка района строитель-

Для н.чучсппн нлиластований грунтов и их физико-механических сиопстц проводят инженерно-геологические изыскания, состоящие §1 полрных рлбот и лабораторных исследований.

Прогрпммл полевых изысканий зависит от стадии проектирова­ния, сложности геологического строения и значимости сооружения. На стадии проектного задания для транспортных сооружений обыч­но ограничиваются ознакомлением с ранее проведенными изыска­ниями близ расположенных, аналогичных по геологии мостовых переходов и с небольшим числом выработок преимущественно в виде скважин. Скважины закладывают по оси трассы мостового перехода на поймах и в русле рек не реже чем через 100 м. Для стадии технического проекта и составления рабочих чертежей, когда расположение опор и их ориентировочные размеры известны, грунты изучают более детально.

При сложной геологии и проектировании больших мостов на этой стадии необходимо пробуривать, как правило, по четыре сква­жины около каждой опоры — две вдоль оси моста и две поперек. Глубина скважин зависит от напластования грунтов и назначается в пределах 15—40 м с тем, чтобы углубиться в материковые дочет-вертичные породы. Особое внимание обращают на выявление сла­бых грунтов, карст, тектонических разрывов, оползневых участков и пр. Породы, могущие быть использованы в качестве оснований опор, нужно пройти бурением на глубину не менее 5 м, а при нак­лонном залегании определить угол их падения.

При бурении скважин отбирают образцы ненарушенной струк­туры для последующего лабораторного исследования. Получение образцов ненарушенной структуры, особенно слабо уплотненных песков и глин, часто встречает затруднения. Поэтому в последнее время для определения физических характеристик таких грунтов прибегают к статическому и динамическому зондированию (пене-трацни) и другим способам исследования грунтов в их природном залегании.

Подробным исследованиям физико-механических свойств грун­тов подвергают всю активную зону, под которой понимается толща грунтов, обеспечивающая устойчивость сооружения. Толщина зоны может быть определена по формуле Н. А. Цытовича

Ь_а=2Аш_тЬ, (11.1)

а)

:: '■ '■

Рис. 11.1. Схемы напластований грунтов

где Лат — коэффициент, зависящий от свойств грунта (коэффициента ц₀ боко­вого расширения) и отношения стороны подошвы фундамента 1/Ь; Ъ — меньшая сторона подошвы фундамента.

Для среднего значения |д, ₀=0, 3 имеем:

1, 89

В геологические изыскания входит также определение уровней грунтовых вод, величин их напора, коэффициентов фильтрации грунтов и степени агрессивности вод по отношению к бетону.

Для объектов жилищного и промышленного назначения, встре­чающихся в транспортном строительстве, объем геологических изы­сканий может быть несколько сокращен, так как фундаменты этих сооружений обычно имеют небольшие размеры и их закладывают на небольшую глубину.

В результате разведочного бурения составляют колонки по каж­дой скважине и геологические продольные и поперечные профили напластования грунтов. Можно выделить четыре основных вида напластования, дающих общую характеристику геологических ус­ловий строительства:

однородную толщу (рис. 11.1, а), сложенную одинаковыми по составу и свойствам грунтами;

слоистую толщу (рис. 11.1, б) с согласным по глубине напласто­ванием слоев с различными механическими свойствами, дающую равномерную осадку фундаментов;

слоистую толщу с несогласным залеганием слоев (рис. 11.1, в), в которой наблюдается выклинивание напластований и связанная с этим возможность неравномерных осадок фундаментов;

неоднородную толщу (рис. 11.1, г), сложенную разнородными грунтами с включением отдельных линз и прослоек слабых грунтов (илов, торфов) и включением выветренных маломощных слоев скальных пород, валунов и т. д. Такая толща наименее благоприят­на для возведения фундаментов.

Для проектирования фундаментов необходимо знать дефор-мативность и несущую способность грунтов, залегающих в ос­новании.

В полсных условиях деформативность определяют испытаниями груптол штампами. В шурфах (рис. 11.2, а) испытывают квадрат­ными штампами площадью 5000 и 10000 см², а в скважинах (рис. 11.2, б) —круглыми площадью 600 см². Испытания состоят в нагру-жении штампа постепенно возрастающей статической нагрузкой и измерении его осадок. В результате измерений вычерчивают график зависимости осадки от удельных давлений (рис. 11.2, в). По прямо­линейному (или близко к прямолинейному) участку графика на­ходят модуль общей деформации испытываемой толщи

^о=о> (1-^)^р (П.2)

где со — коэффициент, равный для квадратного штампа 0, 88, а для круглого — 0, 785;

Но — коэффициент бокового расширения грунта при одноосном сжатии (ко­эффициент Пуассона);

Ь — ширина (диаметр) штампа, см; 5 — осадка штампа, см;

р — нагрузка на штамп, кгс/см².

По модулю общей деформации определяют коэффициент отно­сительной сжимаемости грунта

«о= 1Г (»-³>

Ч

прир₀=1------------------ -. (11.4)

Коэффициент бокового расширения грунта принимается равным: Для твердых и полутвердых глин и суглинков.... 0, 1 —0, 15

То же, тугопластичных.............................................................. 0, 20—0, 25

» мягкопластичных и текучепластичных...................... 0, 30—0, 40

Для супесей................................................................................ 0, 15—0, 30

» песков................................................................................. 0, 20—0, 25

Испытания грунтов штампами дают наиболее достоверные зна­чения модуля общей деформации. Однако продолжительность ис­пытаний и их стоимость велики.

В лабораторных условиях исследуют образцы грунтов, получа­емых при полевых изысканиях. Определяют основные физические показатели — гранулометрический состав, удельный и объемный веса, весовую влажность, пористость, консистенцию и прочее, а также механические характеристики — сжимаемость, коэффициент внутреннего трения ф и сцепления с.

Основными характеристиками, получаемыми испытанием образ­цов, являются гранулометрический состав грунта, его удельный вес -ув, объемный вес у и весовая влажность № (отношение массы воды в грунте к массе сухого грунта).

Объемный вес скелета грунта

(II.5а)

1+1Р"

пористость

и= 1 —

коэффициент пористости

(II. 5в)

1 — п степень влажности (отношение объема воды к объему пор)

С=—•-^; (II. 5г)

е Уф

объемный вес с учетом взвешивания в воде

У* —Уч?

(II. 5д)

В этих выражениях уу? = 1 тс/м³ — вес воды.

Для глинистых грунтов определяют влажность на границе пла­стичности \Р_Р и влажность на границе текучести №_ь. По этим ве­личинам находят основную характеристику глинистых пород — число пластичности

1_Р=\7_Ь — Ш_р (Н.5е)

Рис. 11.2. Схемы и график натурных испытаний грунтов:

1 — анкерная винтовая свая; 2 — наддомкратная балка; 3 — домкрат; 4 — штамп; 5 — об­садная труба скважины

и показатель консистенции

_} УР — УРр

4=--------: —-. (Н.5ж)

¹ р

Для ряда расчетов необходимо знать фильтрационные показа­тели грунта, характеризуемые коэффициентом фильтрации

1> _ср. Н

к = —— при I = ——,
» ь

где Сер — скорость движения воды через грунт; I — гидравлический градиент; /. — длина пути фильтрации; И — потери напора воды на пути фильтрации. Коэффициент фильтрации имеет размерность см/с, см/год и т. д.

В глинистых грунтах фильтрация воды возможна только при градиен­тах, превышающих некоторый на­чальный градиент, тоже определяе­мый из опытов.

Деформативные свойства грун­тов в лабораторных условиях иссле­дуют в приборах компрессионного сжатия (одометрах и стабиломет-рах), определяя зависимость коэф­фициента пористости от давления р на' грунт. По компрессионной кривой (рис. П.З) находят структурную прочность — прочность жестких свя­зей между частицами грунта, коэф­фициент сжимаемости е\ — е< 1

(П. 6а)

Р2 — Р1

и коэффициент относительной сжимаемости

_а _ 5

кр

1+е где 5 — осадки испытываемого образца грунта; к — высота образца; р — давление, соответствующее осадке 5.

Коэффициент сжимаемости позволяет судить о использования грунта в основании сооружения а^ 0, 001 см²/кгс грунт малосжимаем, при а^0, 01 см²/кгс грунт относится к средней сжимаемости, при аж0, 1 см²/кгс грунт чрез­мерно сжимаем и как естественное основание непригоден.

По коэффициенту относительной сжимаемости а₀ находят модуль общей деформации грунта:

Р 1и

а₀

где ро — коэффициент, зависящий от коэффициента бокового расширения грунта и определяемый по формуле (11.4),

По компрессионным испытаниям модуль общей деформации грунта обычно получается заниженным.

Основные прочностные и деформативные показатели грунтов (коэффициент внутреннего трения, сцепления и т. д.) должны оп­ределяться из достаточно большого числа опытов по методам ста­тистики. Минимальная доверительная вероятность се расчетных значений показателей по СНиП должна быть следующей:

Для транспортных сооружений (мосты и трубы) при расчете
по несущей способности.................................................................. 0, 98

То же, по деформациям....................................................................... 0, 9

Промышленные, культурные и другие сооружения при расчете
несушей способности....................................................................... 0, 95

То же, по деформациям....................................................................... 0, 85

Таблипа ИЛ

Обозначения: с —нормативное сцепление, кгс/см^а; ф^Н—нормативный угол внутреннего трения, град.; Е₀ — нормативный модуль деформации, кгс/см².

По СНиП II-15-74 характеристики грунтов для расчетов по не­сущей способности обозначаются с индексом / (ут, орт, ст), а для расчетов по деформациям с индексом // (-ул. Фп, Си). При отсутст­вии массовых испытаний характеристики грунтов для расчета де­формаций принимаются равными нормативным значениям (табл. 11.1—П.З), а для расчетов по несущей способности — по тем же данным, но с коэффициентом безопасности к_г, равным: для с^ песчаных и глинистых грунтов— 1, 5, для фх песчаных грунтов— 1, 1 и для ф! глинистых грунтов — 1, 15.

Таблица 11.2

Примечание. См. табл. 11.1.

В основаниях фундаментов могут залегать различные горные породы. По принятой в СССР классификации они подразделяются на скальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые.

К скальным породам относятся изверженные, метамор­фические и осадочные породы с жесткой связью между зернами. У изверженных и метаморфических пород связь между зернами обусловлена спаянностью, у осадочных — цементацией зерен раз­личными цементами (кремневым, известковым, глинистым и т. д.). Жесткая связь между зернами придает скальным породам свойст­ва твердых, но хрупких тел — при раздавливании образца скалы наблюдается хрупкое разрушение (без площадки текучести) с пол­ным нарушением связей и без последующего их восстановления. Деформации скальных пород пропорциональны давлениям, что по­зволяет применять к ним законы теории упругости.

Временное сопротивление одноосному сжатию скальных пород изменяется в широких пределах — от 20—30 до 2000—2500 кгс/см².

Для оценки скальной породы одних прочностных характеристик недостаточно, необходимо знать еще условия залегания породы, со­стояние ее в массиве, степень водостойкости (нерастворимости) и т. д.

Сплошная водостойкая скала представляет собой вполне надеж­ное основание для любых сооружений. В этом случае основной ин­женерно-геологической характеристикой ее будет временное сопро­тивление раздавливанию. Чаще встречается слоистая скала, в ко­торой скальные пласты разделены прослойками других грунтов.

При горизонтальном залегании и толщине пластов по 3 м и более такая скала тоже вполне надежна. Если же пласты залегают на­клонно, то появляется опасность сползания их, особенно если про­слойки сложены глинистыми грунтами.

Состояние скалы характеризуется выветрелостью и трещинова-юстью. Поверхность скальной породы обычно подвержена вывет­риванию, и верхние ее слои менее прочны. Поэтому, как правило,. разрушенный слой скалы удаляют и фундамент закладывают на сохранившейся, неразрушенной породе. Трещиноватость может в значительной степени снизить несущую способность скалы. Прости­рание трещин, их направление, величина (раскрытие) могут быть весьма разнообразны. В большинстве своем они бывают заполнены различными песчаными или глинистыми разностями и образуют систему, по которой протекают напорные грунтовые воды.

Большое значение имеет водостойкость скальной породы.

При насыщении скалы водой прочность ее несколько снижается; по этому признаку принято называть скальную породу размягчае­мой и неразмягчаемой. Представителями размягчаемых пород яв* ляются преимущественно осадочные породы с известковым, гипсо­вым и в особенности глинистым цементами.

Некоторые породы (гипс, известняк) легко выщелачиваются во­дой и теряют связность; в результате выщелачивания образуют­ся каверны и карсты. Возможность использования неводостойких скальных грунтов в основаниях сооружений нужно устанавливать в каждом конкретном случае специальными инженерно-геологиче­скими исследованиями.

В производственном отношении скала труднопроходима. Даже сравнительно тонкие прослойки скалы мощностью в несколько де­сятков сантиметров затрудняют, а иногда делают невозможной за­бивку свай, опускание колодцев и т. д. Разработка скалы в котло-ьанах плохо поддается механизации и обычно требует ручного труда с применением механизированного ручного инструмента, а иногда и взрывных работ.

Трещиноватые скальные породы часто обладают большим де­битом напорных вод, борьба с которыми связана с организацией, мощного водоотлива.

Номенклатура скальных пород, принятая в СНиП:

1. Повременномусопротивлению одноосному сжатию /? «*
(кгс/см²)

Очень прочные..

Прочные..................

Средней прочности Малопрочные... Полускальные...

2. По коэффициенту размягчаемости в воде Кр₃

Неразмягчаемые............................................. /Ср₃^0, 75

Размягчаемые.................................................. Крз< 0, 75

23=

3. По степени выветрелости К>

Таблица 11.5

Невыветрелые (монолитные)....................... Залегание в виде сплошного масси»

ва, Квс = 1 Слабовыветрелые (трещиноватые)... Залегание в виде несмещенных от­дели остей (глыб), 1> Дбс^=0, 9

Выветрелые................................................... Залегание в виде скопления кусков,

переходящего в трещиноватую ска­
лу, 0, 9> /Свс 5^0, 8
Сильновыветрелые (рухляки)....................... Залегание во всем массиве в виде от­
дельных кусков, Квс< 0, 8
Коэффициентом размягчаемости Крз называется отношение временных сопро­
тивлений породы одноосному сжатию в водонасыщенном и воздушно-сухом со­
стоянии, степенью выветрелости Кве — отношение объемной массы выветрелой
породы к объемной массе невыветрелой.

В крупнообломочных (несцементированных) и песчаных грунтах, называемых сыпучими, связями между зернами отсутствуют и сопротивление их сдвигу практически зави­сит только от внутреннего трения между зернами, что и определяет несущую способность этих грунтов. Внутреннее трение зависит глав­ным образом от плотности сложения, крупности зернового состава и влажности. Чем больше размер зерен, чем плотнее они уложены, тем несущая способность грунта выше.

По гранулометрическому составу крупнообломочные и песчаные грунты делятся на виды. Наименование вида грунта принимается по первому удовлетворяющему показателю в порядке расположе­ния наименований, приведенных в табл. 11.4.

В природе поры между крупными зернами обычно заполнены более мелкими. Степень однородности зернового состава песков определяется по формуле

Таблица П.4

Распределение частиц по крупности в % от веса сухого грунта

А. Крупнообломочные грунты

Крупнее 200 мм составляет более 50% Крупнее 10 мм составляет более 50% Крупнее 2 мм составляет более 50%

Вид песков

крупные и средней

Гравелистые. крупности Мелкие Пылеватые

Обозначение: е~ • коэффициент пористости песка.

-диаметр частип, меньше которого содержится по массе 60%; -то же, 10%.

При степени неоднородности более трех пески считаются неод­нородными.

Плотность укладки зерен характеризуется коэффициентом по­ристости е. Чем меньше е, тем плотнее грунт. Песчаные грунты по плотности делят на плотные, средней плотности и рыхлые (табл. 11.5). Рыхлые пески имеют ничтожную несущую способность и не могут служить основанием капитальных сооружений без ис­кусственного укрепления.

В зависимости от степени влажности С крупнообломочные и песчаные грунты делят на маловлажные при С ^0, 5, влажные при 0, 5< С^0, 8 и насыщенные водой при С> 0, 8. Несущая способность гравелистых и крупных песков не зависит от влажности; прочность более мелких песков снижается с увеличением влажности и тем больше, чем мельче зерна.

Под нагрузкой песчаные грунты уплотняются и дают осадку за счет уменьшения объема пор. Уплотнение происходит в течение ко­роткого отрезка времени, что является положительным свойством этих грунтов, так как при возведении на них сооружений деформа­ции основания происходят главным образом в процессе строитель­ства и могут быть своевременно учтены.

На свойства песков большое влияние оказывают различные гли­нистые и органические примеси, которые, обволакивая зерна, умень­шают внутреннее трение и снижают их несущую способность. Пы­леватые пески в этом случае, будучи насыщены водой, становятся подвижными, переходя в так называемый плывун. Плывуны обла­дают ничтожной несущей способностью и часто значительно ос­ложняют разработку котлованов.

Состояние песчаных грунтов может измениться под действием

напорной воды.

При движении воды в сторону дневной поверхности земли, на­пример при откачке воды из котлованов, песок разрыхляется и ста­новится менее плотным. Если гидродинамическое давление значи­тельно, то зерна песка могут оказаться во взвешенном состоянии и песок станет текучим (подвижным), переходя в псевдоплывун.

При водоотливе вместе с водой могут увлекаться мелкие фракции, что уменьшает плотность песка; это явление называется механиче­ской суффозией. Нередко механическая суффозия распространяет­ся на значительные объемы грунта и служит причиной неравномер­ных осадок вблизи расположенных зданий и сооружений. В таких случаях применяют временное искусственное понижение уровня грунтовых вод или же ведут работы без откачки воды из котлована. Движение грунтовых вод может быть вызвано и другими причи­нами— естественным стоком к реке грунтовой воды на пойменных склонах при спаде весенних вод, повышением уровня грунтовых вод при подтоплении местности водохранилищами гидротехнических сооружений и т. д. В этих случаях состояние песчаного грунта из­меняется, что необходимо учитывать при проектировании фунда­ментов.

Основания, сложенные крупнообломочными, а также крупно- и среднезернистыми песчаными грунтами, относятся к вполне надеж­ным. Пески мелкие и в особенности пылеватые обладают меньшей устойчивостью, которая к тому же может быть нарушена потоком грунтовых вод, изменением влажности, динамическими воздействия­ми и т. д.

Песчаные и крупнообломочные грунты легко поддаются разра­ботке различными землеройными машинами, а в водонасыщенном состоянии — средствами гидромеханизации. Погружение в пески свай и опускных колодцев, как правило, не вызывает затруднений.

К глинистым грунтам относятся грунты, в которых со­противление сдвигу обусловлено не только внутренним трением, но также сцеплением и связанностью между его частицами. Основной компонент глинистых грунтов — частицы глины. Вследствие колос­сальной удельной поверхности они чрезвычайно активны во всех физико-химических процессах, и присутствие их даже в относитель­но небольшом количестве придает грунту способность при измене­нии влажности переходить из твердого состояния в пластичное и текучее и обратно.

При насыщении водой глинистый грунт приобретает текучее со­стояние, при котором все три компонента сопротивления сдвигу — внутреннее трение, связность и сцепление — практически равны ну­лю. В таком состоянии грунт расплывается и не способен нести внешнюю нагрузку. Разжиженный глинистый грунт может образо­ваться при вскрытии глинистых пород (например, при рытье кот­лованов) и обильном водонасыщении их дождевыми или грунто­выми водами.

При некотором содержании воды глинистый грунт становится пластичным, способным под воздействием внешних сил принимать и сохранять в дальнейшем любую форму. В пластичном состоянии глинистые частицы расположены настолько близко друг к другу, что между ними возникают межмолекулярные силы, обеспечиваю­щие связность. Одновременно начинает проявляться внутреннее трение, которое вместе с силами связности обеспечивает грунту некоторую прочность (сопротивляемость сдвигу). Величина сил

Б

связности и внутреннего трения пластичных глинистых грунтов в большой степени зависит от их влажности и плотности сложения. В зависимости от минералогического состава глинистые части­цы способны в большей или меньшей степени удерживать вокруг себя пленки связной воды. В этом отношении наиболее активны монтмориллонитовые глины и значительно менее каолиновые, Большое количество связной воды приводит к увеличению рассто­яния между частицами и к уменьшению молекулярных сил и как следствие — к снижению связности. Этим объясняется большая пластичность монтмориллонитовых глин и способность их увеличи­ваться в объеме (до 18 раз) при насыщении водой.

Уменьшение влажности приводит к возрастанию сил связности и переходу глинистых грунтов из пластичного состояния в твердое. В твердом состоянии внутреннее трение и связность проявляют­ся в наибольшей степени и сообщают грунту определенную проч­ность и сопротивляемость внешним нагрузкам. Однако высыхание глинистого грунта сопровождается уменьшением объема и возник­новением трещин (глубиной до 1—2 м), разделяющих общую мас­су грунта на отдельные объемы. Это приводит к снижению общей несущей способности, возможности более глубокого проникания воды в толщу грунта и ухудшению его прочностных свойств.

В коренных глинистых грунтах, к которым относятся древние породы дочетвертичного происхождения, под влиянием сжатия вы­шележащими напластованиями длительного формирования, цемен­тации и других причин межмолекулярные силы теряют свое значе­ние и заменяются ионными силами электрической природы. В результате в таких грунтах роль сил связности снижается и ос­новное значение приобретают силы структурного сцепления, необ­ратимые по своей природе. Грунт становится наиболее прочным, приближаясь по своим свойствам к скальным.

В природе глинистые грунты всегда содержат грубые пылева­тые и песчаные частицы, которые образуют жесткий скелет, запол­ненный частицами глины. Грубые фракции независимо от величины зерен не могут изменить специфических свойств, присущих глини­стым грунтам. Однако они оказывают непосредственное влияние на прочностные и деформативные характеристики, снижая, как правило, их значение.

В зависимости от содержания грубых фракций глинистые грун­ты делят на супеси, суглинки и глины. Различие между этими ви­дами грунтов состоит главным образом в их способности перехо­дить из твердого состояния в текучее. Чем больше содержится грубых фракций, тем меньше требуется воды для перехода грунта из твердого состояния в текучее. Эта особенность глинистых грун­тов характеризуется числом пластичности.

По числу пластичности глинистые грунты делят на супеси (1^/р^7), суглинки (7^/р^17) и глины (/_Р> 17).

Для характеристики грунта в его естественном состоянии слу­жит показатель консистенции [см. формулу (П.5ж)]. Если грунт находится в пластичном состоянии, то ЭД^^р и /ь^О; если состо-

яние грунта твердое, то №^№_р и /_ь^0. При промежуточных зна­чениях /х, глинистые грунты имеют следующее наименование:

Супеси твердые.................................................................... /х> 0

» пластичные............................................. 0^/ь^1

» текучие.................................................... 1ь> \

Суглинки и глины твердые................................. /ь> 0

»»» полутвердые.................................... О ^/ь^ 0, 25

»»» тугопластичные............................. 0, 25< /ь^0, 50

»»» мягкопластичные................ 0, 50< /ь^0, 75

»»» текучепластичные.... 0, 75< /ь^1

»»» текучие.................................................. /ь> 1

Несущая способность глинистых грунтов зависит как от числа пластичности, так и от консистенции и плотности (коэффициента пористости е).

При одинаковых значениях коэффициентов консистенции и по-' ристости лучшими показателями прочности (устойчивости) облада­ют глины, затем суглинки и, наконец, супеси.

С увеличением влажности прочность глинистых грунтов резко снижается; грунты с коэффициентом консистенции /_ь> 0, 5 настоль­ко слабы, что не могут служить основанием инженерных соору­жений.

Влажность грунта может увеличиться как в процессе строитель­ства, например при увлажнении котлованов дождевыми водами, так и после постройки в результате повышения уровня грунтовых еод, затопления местности подпорными водами и т. д. Особенно неблагоприятны в этом отношении супеси, способные переходить в пластичное и текучее состояние при относительно небольшом до­полнительном увлажнении. Увеличение влажности неизбежно сни­жает несущую способность глинистых грунтов, что необходимо учитывать при производстве работ и оценке их прочностных свойств.

В твердом состоянии (при /ь< 0) глинистые грунты значитель­но прочнее не только песчаных, но и крупнообломочных, прибли­жаясь по своим свойствам к скальным породам.

Кроме влажности большое значение имеет плотность, в особен­ности для глин и суглинков. С уменьшением плотности их проч­ность снижается.

В природных условиях часто встречаются неоднородные на­пластования, в которых глинистые грунты переслаиваются с песча­ными, крупнообломочными и скальными. Песчаные и крупнообло­мочные прослойки обычно водоносны, и соприкасающиеся с ними глинистые грунты имеют повышенную влажность. Характерным примером таких грунтов служат ленточные глины, которые проре­заны тонкими слоями мелкого песка. Несущая способность ленточ­ных глин низка.

Глины и суглинки имеют небольшой коэффициент трения, и при наклонном залегании и интенсивном увлажнении возможно сколь­жение (сдвиг) грунта вместе с построенным на нем сооружением.

Характерная особенность глинистых грунтов — длительность их деформаций под действием внешних давлений. Сжатие грунтов происходит в первую очередь за счет уменьшения расстояния меж-28

ду частицами, сопровождающееся отжатием из пор свободной во­ды. В глинистых грунтах поры настолько малы, что отжатие воды протекает крайне медленно. Помимо этого, в глинах происходят длительные процессы ползучести. В результате этих явлений соору­жения, построенные на глинистых основаниях, получают осадки и керны, которые нарастают в течение многих лет и даже десятиле­тий. Часто осадки неравномерны. Это заставляет относиться к гли­нистым основаниям с известной осторожностью, несмотря на их относительно большую несущую способность. Этим же объясняется распространенное мнение (не всегда, однако, справедливое), что на глинистых грунтах не следует возводить сооружений статически неопределимых систем.

Глинистые грунты не пропускают воду. Ничтожная фильтрация глин служит положительным фактором, позволяя разрабатывать котлованы с небольшим водоотливом. Погружение свай и опускных колодцев в глины труднее, чем в песчаные грунты.

Наряду с основными встречаются особые виды грунтов: просадочные, заторфованные и набухающие.

К посадочным грунтам относятся лёсс и лёссовидные разновид­ности глинистых грунтов. Они распространены на большей части территории Украины, в южных районах РСФСР, в среднеазиатских республиках и ряде других областей. Мощность залегания лёссовых грунтов составляет от 2—5 до 10—20 м и местами достигает 30— 40 м. Основными признаками просадочных грунтов являются види­мые невооруженным глазом поры диаметром от 0, 5 мм и более, преобладание пылеватых частиц размером 0, '05—0, 005 мм и быст­рое размокание в воде.

В естественном состоянии объемный вес сухого макропористого грунта составляет 1, 3—1, 55 тс/см³, коэффициент пористости 45—■ 55%. Залегая в засушливых районах, лёссовидные грунты слабо водонасыщены. Влажность их в зависимости от времени года меня­ется от 7 до 25%. В сухом состоянии они способны выдерживать нагрузку до 3—5 кгс/см² и удерживать вертикальные откосы. Од­нако при замачивании водой связи между частицами грунта рас­творяются и грунт быстро проседает. Такие деформации называют­ся просадками, а грунты, обладающие этим свойством, — проса-дочными. Прочностные характеристики замоченных грунтов близки к их характеристикам в текучем состоянии. Величина про­садки зависит от свойств грунта (его пористости) и внешней на­грузки. Характеристикой просадочности служит относительная просадочность

где К — высота образца природной влажности, обжатого в компрессионном приборе давлением р, равным давлению иа рассматриваемой глубине от веса вышележащего грунта и давления от фундамента; йпр — высота того же образца после полного водонасыщения при сохране­нии давления р; Н₀ — высота того же образца природной влажности обжатого давлением, равным весу вышележащего грунта.

При б_Пр^0, 01 грунт считается непросадочным.

Просадка возникает при давле­
нии, превышающем начальное про-
садочное давление Рпр (рис. 11.4).
Начальное просадочное давление
для разных грунтов изменяется от
0, 2 до 1, 5 кгс/см². Если давление на
рассматриваемой глубине меньше
начального просадочного, то просад*
ка на этой глубине не проявляется.
Замачивание просадочных грун­
тов может быть в результате увлаж-
Рис. и.4. График деформации приса-нения грунтов грунтовыми водами
дочного грунта _пр_и подъеме их уровня, а также при

увеличении влажности вследствие нарушения природных условий испарения (например, асфальтиро­вания городской территории), постепенного накопления просочив­шихся поверхностных вод и других причин. Просадочность значи­тельно усложняет возведение сооружений и требует или устройства фундаментов глубокого заложения с проходкой всей просадочной толщи, или искусственного упрочнения грунтов.

К заторфованным грунтам относят грунты с содержанием (по массе) растительных остатков от 10 до 60%. При содержании растительных остатков более 60% грунты называются торфами. Заторфованные грунты и торфы сильно и неравномерно сжимаемы, причем их деформации протекают медленно и практически не ста­билизируются.

Эти грунты обычно водонасыщены, вода обладает значительной агрессией по отношению к бетону.

Торфы и заторфованные виды грунтов могут залегать с поверх­ности земли (открытое залегание) и быть погребенными грунтами последующего наслоения. Открытые торфы чрезвычайно сжимае­мы, при доступе воздуха быстро сгнивают и в качестве оснований для сооружения непригодны. Погребенные торфы, если они зале­гают ниже уровня грунтовых вод и перекрыты толщей минераль­ных грунтов в несколько метров, хотя и сильно сжимаемы, все же позволяют возводить небольшие здания и сооружения (например, водопропускные трубы), приспособленные к неравномерным осад­кам. При возведении ответственных сооружений (мостов) толща торфяных грунтов должна быть пройдена фундаментами.

В Поволжье, Казахстане, Крыму и ряде других районов встре­чаются набухающие грунты. Набухающими грунтами являются гли­ны, главным образом монтмориллонитовые, значительно увеличи­вающиеся в объеме при замачивании водой. При замачивании таких глин на фундаменты действуют силы набухания, достигаю­щие 120—150 тс/м² и направленные снизу вверх. Неравномерность набухания вызывает значительные деформации сооружений. При увеличении влажности прочность глинистых грунтов (угол внут-

реннего трения и сцепление) уменьшается и несущая способность их сильно снижается,

При высыхании набухающих грунтов наблюдается их усадка (уменьшение объема), что еще более увеличивает деформации сооружений.

Характеристикой набухания служит величина относительного набухания

А

(11.8)

где Н_в.с — высота образца грунта после его свободного (без нагрузки) набуха­ния в компрессионном приборе при полном водонасыщении; к — начальная высота образца природной влажности.

Если б_н^0, 04, то грунты относят к набухающим. Величина на­бухания зависит от толщины слоя набухающего грунта, от природ­ной влажности и от внешней нагрузки на грунт. Чем больше мощ­ность слоя и меньше природная влажность, тем набухание больше. Набухание значительно снижается при увеличении внешнего дав­ления.

Набухающие грунты требуют особых приемов строительства фундаментов. При значительной величине набухания приходится прибегать к фундаментам глубокого заложения, прорезая набухаю­щие грунты.

11.2. РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ГРУНТОВ

Многочисленными исследованиями установлено, что в деформаци­ях грунтов при их сжатии под нагрузкой, распределенной по огра­ниченной площади, можно выделить две фазы (рис. 11.5, а).

■ В первой фазе — фазе уп­лотнения грунт под действием на­грузки уплотняется за счет умень­шения расстояний между его зер­нами (более плотной упаковки). При давлении, не превышающем некоторой определенной для каж­дого вида грунта величины, де­формации грунта в этой фазе со временем затухают и прекраща­ются. В фазе уплотнения дефор­мации приблизительно пропор­циональны внешнему давлению. Это позволяет рассматривать

Рис. П.5. Деформация грунта:

/ — кривая связного грунта; 2 — кривая сыпучего грунта; 3 — штамп (фундамент); 4 — уплотненное ядро; 5 — траектории скольжения

грунты как среду линейно деформируемую и применять к ним за» коны упругих тел. Давление р_крл, до которого наблюдается эта про­порциональность, называется первым критическим давлением

Во второй фазе, начиная с р_крл до р„р.₂, в грунте развива­ются деформации сдвига. Из механики грунтов известно, что де­формации сдвига возникают, если

где т — касательные напряжения в рассматриваемой элементарной площадке; р_п — нормальные напряжения; Ф1 — угол внутреннего трения грунта; С1 — удельная сила сцепления грунта.

Таким образом, касательные напряжения т зависят от напряже­ний р_п, которые, в свою очередь, зависят от внешнего давления, пе­редаваемого фундаментом. При некотором значении последнего равенство оказывается выполненным и в рассматриваемой точке грунтового массива произойдет сдвиг.

С изменением р в пределах от ркр_Л до р_кр.2 начинают сдвигаться все большие объемы грунта, образуются все большие «пластиче­ские области» с нарушенным равновесием. Вначале эти области создаются у граней фундамента, где касательные напряжения при­нимают наибольшие значения, затем, развиваясь, они все больше заходят под его подошву. В результате сдвигов грунта осадка фун­дамента резко возрастает, зависимость ее от давления перестает быть линейной, затухание во времени замедляется.

Вторая фаза заканчивается образованием непрерывных поверх­ностей скольжения под всей подошвой фундамента, и грунт полно­стью теряет прочность, становясь подвижным. При полном исчер­пании несущей способности в конце второй фазы под подошвой фундамента образуется уплотненное грунтовое ядро, клинообразно­го очертания, которое и раздвигает прилегающий грунт в стороны (рис. 11.5, б). Исчерпание несущей способности грунтов в основа­ниях сооружений совершенно недопустимо: появляющиеся в этом случае просадки происходят в короткий промежуток времени и носят катастрофический характер.

Давление р_Кр.2, при котором заканчивается вторая фаза, служит критерием наступления предельного состояния основания по усло­вию прочности (устойчивости).

Развитие «пластических областей» и поверхностей скольжения, а вместе с тем и вид потери устойчивости грунта зависят от раз­меров, очертания и глубины заложения подошвы фундамента, а также от вида внешней нагрузки, действующей на фундамент. Чем меньше ширина подошвы (рис. 11.6, а), тем под меньшим давлени­ем замкнутся «пластические области» и тем меньший объем грунта будет перемещаться в предельном состоянии. Следовательно, пре­дельное состояние узкого фундамента наступит при нагрузке мень­шей, чем предельное состояние широкого фундамента. Под круглым или квадратным фундаментом грунтовое основание будет иметь большую несущую способность, чем под фундаментами прямоуголь-

Рис. 11.6. Схемы потери устойчивости основании

ными (ленточными), так как в первом случае необходимо привести в предельное состояние больший объем грунта (условия простран­ственной работы).

При центральном действии внешних сжимающих сил напряжен­ное состояние грунта и области нарушенного равновесия симмет­ричны относительно осей фундамента. Если же нормальная сила приложена эксцентрично, то момент вызывает поворот, фундамент и грунт вытесняется односторонне (рис. 11.6, б). Тоже односторонне будет перемещаться грунт при действии наклонной нагрузки (рис. II 6 в) Таким образом, возможные перемещения фундамента, оп­ределяющие тот или иной вид потери устойчивости грунта, зависят от кинематической и статической схемы всего сооружения.

Большое влияние на прочность (устойчивость) грунта основания имеет глубина заложения.фундамента.

В песчаных грунтах можно выделить три характерных случая потери прочности в зависимости от относительного заглубления фундамента к/Ь (где к — глубина заложения, Ь — меньшая сторо­на подошвы). При к/Ь< 0, Ъ- случай 1а-потеря устойчивости происходит за счет сдвига (выпора) примыкающего к фундаменту грунта по наклонным под углом к горизонту, близкому к 45 —< р/2 поверхностям скольжения (рис. 11.7, а).

Рис II 7 Схема потери устойчивости песчаных оснований:

/-поверхность сдвига; 2-выпор грунта; 3 - уплотненное ядро; 4 -зона уплотнения

2—2644

При 0, 5< •& /& < 1-т-1, 5 — случай 16 (рис. 11.7, б) —поверхности скольжения становятся более крытыми, выпор грунта уменьшается и прочность основания возрастает, так как для потери устойчивости необходимо сдвинуть больший объем грунта. При 1-1-1, 5 < к/Ь< < 3-т-4 — случай 2а (рис. 11.7, в) —сдвиг грунта и выпирание его из-под подошвы, вызывающие значительные и резкие осадки фун­дамента, происходят без выпора на поверхности преимущественно за счет уплотнения грунта, расположенного выше подошвы фунда­мента. В этом случае фундамент находится в более благоприятных условиях работы.

Наконец, при к/Ь^З~4 — случай 26 — сдвиг грунта возможен главным образом за счет уплотнения грунта, расположенного ниже подошвы. Четко выраженных поверхностей скольжения не образу­ется, возникающие осадки фундамента возрастают плавно, без рез­ких увеличений. При таких глубинах заложения практически не вызываются нарушения устойчивости больших масс грунта и пер­вое предельное состояние, как правило, не достигается.

В глинистых грунтах нарушение прочности (устойчивости) про­исходит по более сложным законам. Так, например, выпора глини­стого грунта из-под фундамента, даже не глубоко заложенного, не наблюдается. Общая зависимость деформации глин от нагрузки, оставаясь прежней, имеет более пологое очертание кривой «5—р» (см. рис. 11.5, а). При некотором значении р осадки глинистых ос­нований перестают затухать во времени или оказываются чрезмер­но большими, что служит причиной исчерпания несущей способно­сти сооружения по второму предельному состоянию.

При проверке прочности (устойчивости) основания по первой группе предельных состояний давления на грунт не должны превы­шать расчетные сопротивления 7? грунтов. Последнее назначается как некоторая доля давления, вызывающего предельное состояние. Таким образом, расчетное сопротивление будет зависеть не только от механических характеристик того или иного вида грунта, но и от рассмотренных выше факторов.

Чрезвычайно большое разнообразие грунтовых условий и осо­бенностей работы различного рода сооружений не позволяют со» здать единую методику определения расчетных сопротивлений грун­тов. Поэтому в настоящее время существует ряд нормативных указаний (СНиП) по определению расчетных сопротивлений для различных отраслей строительства.

Проектируя фундамент под ответственное сооружение, расчет­ные сопротивления грунтов нужно назначать с известной осторож­ностью, используя богатый опыт предыдущего строительства, а так­же анализируя и сопоставляя указания различных норм и других источников.

Расчетные сопротивления грунтовых оснований осевому сжатию при расчете мостов и труб по проекту СНиП И-43 находят по формуле

Я = 1, 7 {Я' [1 + к_г {Ь — 2)] + к₂\₁ (А — 3)}, (11.9)

Таблица 11.6

Примечание. Для плотных песков И' увеличивается иа 100%, если плотность оп­ределена статическим зондированием, и на 60%, если плотность определена лабораторными испытаниями.

где Я' — условное расчетное сопротивление грунта, тс/м²; Ь — меньшая сторона подошвы фундамента, м; Н — глубина заложения подошвы фундамента, м; VI — объемный вес грунта, расположенного выше подошвы, тс/м³; «1, к₂ — коэффициенты, зависящие от вида грунта.

Формула (11.9)—эмпирическая, получена на основании много­летнего опыта строительства и эксплуатации мостовых сооружений. В ней отражены основные факторы, определяющие несущую спо­собность основания: вид грунта (7? ', ■ уъ К\ и к^), размер подошвы фундамента Ь и глубина заложения Н. Значения условных расчет­ных сопротивлений Я' приведены в табл. 11.6—11.8, а коэффициен­тов к\ и к₂ в табл. 11.9.

Таблица 11.7

Примечание. При 0, 05< /_< 0, 1 и 0, 15< /_< 0, 2 значение /? ' принимаются средним
между значениями соответственно для супесей и суглинков и для суглинков и глин.
2* 35

Грунт

Галечниковый (щебе­нистый) из обломков кристаллических пород

То же, осадочных по­род

Примечание. При глинистом заполнителе К' принимается по табл. 11.7 в зависи­мости от /, /п^ ^{и е} заполнителя.

Таблица 11.9

В формуле (11.9) размер Ь принимают равным меньшей стороне подошвы фундамента, если она не превышает 6 м; если меньшая сторона более 6 м, то 6 = 6 м. Глубину заложения к на местности, не

покрытой водой, принимают от по* верхности грунта после его плани­ровки срезкой, а при планировке подсыпкой — от природного уров» ня. В русле рек к принимают (рис. П.8) от поверхности дна ре-ки у опоры после общего размыва и половины местного размыва при расчетном паводке. Если основа-ние сложено глинами или суглин­ками, то для фундаментов в пре­делах водотока расчетное сопро­тивление 7? по формуле (П.9) мо­жет быть увеличено на пригрузку водой 1, 5 умг-Ьв, где к_ъ — глуби-

^^ИС- " _Я^А„™™ ^{к 0П}Р^{вделешю ГЛ}У" на воды от наинизшего уровня
бины заложения опоры моста: ^1Г

/-наинизший уровень воды; 2-иаправ- МвЖеНИ ДО ПОВерХНОСТИ ДНа ПеКИ ление течения воды; 3 —дно реки до раз- ПОСЛе раЗМЫВОВ (СМ. рИС. 11.8). мыва, 4 —дио реки после общего размы­ва; 5 — воронка местного размыва

Объемный вес грунта выше подошвы в пределах расчетной глу­бины к определяют по формуле

^Ъ=~Ич~'

где VII — объемный вес 1-го слоя грунта (без учета взвешивания в воде), тс/м³; кг — мощность 1-го слоя грунта, м. Допускается принимать VI=2 тс/м³.

Формула (11.9) применима для определения расчетных сопро­тивлений нескальных грунтов под подошвой фундаментов мелкого заложения, а также фундаментов из опускных колодцев и кессонов.

Для твердых глинистых грунтов /ь< 0 условное сопротивление

Я'=1, 5Ясж. (НЛО)

но не более 160 тс/м² для супесей, 200 тс/м² для суглинков и 300 тс/м² для глин. В этой формуле /? _Сж — среднеарифметическое значение временного сопротивления на одноосное сжатие образцов грунта природной влажности.

Расчетное сопротивление Кс осевому сжатию скальных пород

Ис=~Я_сж, (11.11)

где т, к_Т — коэффициенты условия работы и безопасности по грунту;

/? _сж—среднеарифметическое значение временного сопротивления одноос­ному сжатию образцов породы в водонасыщенном состоянии.

Значение т! к_т допускается принимать равным 0, 7 для ненару­шенной выветриванием породы, 0, 6 — для слабо выветренной и 0, 3 — для выветренной.

Методика определения расчетных сопротивлений грунтовых ос­нований по условным сопротивлениям, основанная на опыте строи­тельства и эксплуатации сооружений, не вскрывает, однако, пре­дельного состояния грунтов по их прочности (устойчивости). Она предусматривает действие на подошву фундамента только нормаль­ных (вертикальных) сил и не учитывает действие сил, наклонных к подошве фундамента. Воздействие внецентренно приложенных вер­тикальных сил, вызывающих неравномерные давления на грунт, учитывается повышением на 20% расчетных сопротивлений грунта под наиболее нагруженной гранью фундамента ^г.

Определение расчетных сопротивлений исходя из предельного состояния песчаных оснований для пространственных условий работы фундаментов было разработано проф. В. Г. Березанцевым ¹. Расчетное сопротивление песков по этой методике можно находить при соблюдении условий: 1) мощность слоя песчаного грунта ниже подошвы фундамента должна быть не менее полуторного размера меньшей стороны подошвы; 2) отклонение от вертикали равнодействующей внешних сил в уровне подошвы не должно превышать 5°; 3) относительное за­глубление Н/Ь (или Н/й) фундаментов не должно превышать четырех. При

¹ Аналогичные нормативы приведены и в СН 200-62.

² Решение В. Г. Березанцева было использовано в нормах СН 200-62.

I

Таблица 11.1Щ

Таблица 11.12

Примечание. При расчетном случае 26 предельное состояние по прочности не до­стигается и расчет иужио вести только по второму предельному состоянию (на осадки).

соблюдении этих условий расчетные сопротивления определяются следующим образом.

По табл. 11.10 в зависимости от относительного заглубления фундамента и плотности песка устанавливают расчетный случай. Расчетные сопротивления основания (в тс/м²) для случаев 1а, 16 и 2а находят по формулам табл. 11.11 и табл. 11.12, 11.13, если равнодействующая внешних сил проходит внутри ядра сечения по подошве фундамента, а при относительном заглубле