Особенности применения свайных фундаментов в просадочных грунтах

Лекция 22

Особенности проектирования свайных фундаментов в особых условиях

Свайные фундаменты в просадочных грунтах

К просадочным грунтам в соответствии с ГОСТ 25100-95 следует относить пылевато-глинистые разновидности дисперсных осадочных минеральных грунтов (чаще всего лессовые грунты), дающие при замачивании при постоянной внешней нагрузке и (или) нагрузки от собственного веса грунта дополнительные деформации - просадки, происходящие в результате уплотнения грунта вследствие изменения его структуры.

К рассматриваемой категории относят:

• Лессовые грунты (суспеси и лессы).
• Глины и суглинки.
• Отдельные виды покровных суспесей и суглинков.
• Насыпные производственные отходы. К ним, в частности, относят золу, колосниковую пыль.
• Пылевато-глинистые грунты с высокой структурной прочностью.

Просадочный грунт в нормальных условиях имеет очень маленькую влажность, поэтому под воздействием дополнительной влаги значительно изменяет свою структуру. Кроме того, лессы имеют высокую степень карбонатности, за счет этого они легко растворимы в воде, что также нарушает целость грунта.

Основная проблема строительства на таких грунтах– это не однородность грунта. Поэтому проведение расчетов по просадочности необходимо выполнять на всей площади как вдоль, так и в глубину. Только с определением показателей по каждому слою можно определить вид фундамента и рассчитать его размеры и глубину заложения.

В практике проектирования и строительства степень просадочности грунтов оценивается показателем относительной деформацией просадочности - относительным сжатием грунтов при заданном давлении после их замачивания.

Просадочными называют пылевато-глинистые грунты, которые при замачивании дают просадку (дополни­тельную вертикальную деформацию) с величиной относительной де­формации 0,01. В отличие от обычной осадки, просадка приводит к коренному изменению структуры грунта.

Просадка свойственна, прежде всего, лессовым суглинкам и су­песям. Лишь в отдельных случаях она может возникать в пылеватых песках с высокой структурной прочностью, а также в некоторых тех­ногенных грунтах (отходы промышленного производства, насыпные грунты и др.).

При проведении инженерно-геологического изысканий самым главным является определение просадочной особенности грунта, на котором будет производиться строительство.

Почти сплошным покровом лессовые породы лежат на большей части территории юга европейской части России. Мощность этих грунтов может достигать 80м и более.

Просадочность лессовых пород обусловлена особенностями их формирования в условиях сухого климата при малой влажности, в результате чего создаются структурные связи, способствующие воз­никновению и сохранению в породе «недоуплотненного состояния».

Согласно СП, грунтовые условия строительных площадок, сложенных лессовыми просадочными грунтами, подраз­деляются на два типа:

I тип грунтовых условий, в которых возможна в основном просадка грунтов от внешней нагрузки, а просадка грунтов от собственного веса отсутствует или не превышает 5 см;

II тип грунтовых условий, в которых помимо просадки грунтов от внешней нагрузки возможна их просадка от собственного веса, и величина ее превышает 5 см.

Тип грунтовых условий устанавливают, исходя из величины относительной просадочности грунтов (s_sl), числа слоев и мощности каждого просадочного слоя.

Особенности применения свайных фундаментов в просадочных грунтах

Особенности применения свайных фундаментов в рассматриваемых грунтовых условиях, связаны с учетом механизма деформирования, закономерностями развития просадочных деформаций, взаимодействия свай с окружающим просадочным грунтом, при просадке его от собственного веса.

Свайные фундаменты в просадочных грунтах применяются, как правило, при возможном их замачивании. Поэтому расчетным состоянием оснований по влажности при проектировании свайных фундаментов является полное водонасыщёние грунта.

Вследствие снижения прочностных характеристик и повышения сжимаемости просадочных грунтов при их замачивании несущая способность свай в значительной мере зависит от влажности грунтов и при повышении ее существенно снижается, что должно учитываться при определении несущей способности свай.

Несущую способность свай в просадочных грунтах определяют, как правило, путем статических испытаний их вертикальной вдавливающей и, при необходимости, горизонтальной нагрузкой в условиях полного водонасыщения грунтов.

Возможно также, определение несущей способности свай по результатам статического зондирования с определением сопротивления грунтов конусу зонда и по боковой поверхности при полном их водонасыщении. Статическое зондирование допускается применять в случае:

· выбора слоев грунта для опирания свай и для определения расчетных сопротивлений грунтов под нижним концом и на боковой поверхности сваи ниже границы просадочной толщи;

· в грунтовых условиях I типа - для определения расчетных сопротивлений замоченных просадочных грунтов под нижним концом и на боковой поверхности сваи;

· в грунтовых условиях II типа - при определении отрицательной силы трения просадочных грунтов на боковой поверхности сваи в соответствии.

Несущую способность свай, применяемых в грунтовых условиях I типа, по результатам их статических испытаний, проведенных с локальным замачиванием грунта в пределах всей длины сваи, определяется как в обычных грунтах. По известной формуле СП 24.13330

Кроме того, в грунтовых условиях I типа при наличии опыта строительства на застраиваемой территории и результатов ранее выполненных статических испытаний свай в аналогичных условиях испытания свай допускается не производить.

Не допускается определять несущую способность свай и свай-оболочек, устраиваемых в просадочных грунтах, по данным результатов их динамических испытаний, а также не допускается определять расчетные сопротивления просадочных грунтов под нижним концом и на боковой поверхности сваи по данным результатов полевых испытаний этих грунтов динамическим зондированием.

При определении несущей способности свай расчетным путем, в просадочных грунтах I типа учитывается расчетное сопротивление по боковой поверхности свай, а в грунтах II типа расчетное сопротивление по боковой поверхности свай в виде сил нагружающего трения входит в дополнительную нагрузку на сваю.

Кроме этого, при просадочных грунтах со II типом грунтовых условий в качестве дополнительных воздействий на сваи должны учитываться горизонтальные давления, возникающие при горизонтальных перемещениях грунтов при просадке их от собственного веса.

В просадочных грунтах наиболее целесообразно применять забивные и особенно конические и пирамидальные сваи, а также набивные сваи в пробитых скважинах или полученных путем уплотнения грунта взрывами удлиненных зарядов, набивные и др. сваи с уширениями, создаваемыми путем втрамбовывания в дно скважины жесткого бетона. При устройстве или погружении этих видов свай вокруг них и в основании образуется уплотненный слой непросадочного грунта, в результате чего повышается несущая способность свай.

В просадочных грунтах II типа наличие уплотненного слоя способствует снижению сил нагружающего трения на сваи.

Для обеспечения необходимой и достаточно высокой несущей способности сваи должны полностью прорезать просадочные грунты и опираться в подстилающие слои повышенной плотности и несущей способности. С этой целью в просадочных грунтах со II типом грунтовых условий при отсутствии близко расположенных подстилающих грунтов повышенной несущей способности нижние концы свай, особенно буронабивных, необходимо опирать на глинистые грунты с объемной массой скелета не менее 1,62—1,65 т/м³.

Неполная прорезка просадочных грунтов сваями, допускается только на площадках с I типом грунтовых условий по просадочности в случаях, если суммарные величины осадок и просадок фундаментов как по абсолютной величине, так и по степени их неравномерности не превышают предельно допустимых значений установленных для зданий и сооружений. Это условие обычно вполняется для сравнительно легких зданий с небольшими нагрузками на фундаменты и в малопросадочных грунтах.

В связи с тем, что просадочные грунты обычно имеют низкую влажность и высокую прочность, погружение забивных свай в них сопряжено со значительными трудностями и должно выполняться через лидерные скважины. В то же время высокая прочность и связность просадочного грунта создают благоприятные условия для устройства буронабивных свай, так как проходка скважин и бетонирование свай могут выполняться «насухо» и без обсадных труб, т. е. по наиболее простой технологии производства работ.

Если по результатам инженерных изысканий установлено, что погружение забивных свай в просадочные грунты затруднено, то проекте должно быть предусмотрено устройство лидерных скважин.

Диаметр лидерных скважин в грунтовых условиях I типа следует назначать менее диаметра сечения сваи, а в грунтовых условиях II типа - равным ему или менее. В последнем случае глубина лидерных скважин не должна превышать толщину просадочного от замачивания слоя грунта.

Свайные фундаменты в просадочных грунтах наиболее целесообразно применять для тяжелых зданий и сооружений с большими нагрузками на фундаменты, а также для сравнительно легких каркасных зданий, когда представляется возможность выполнить под колонну одну сваю. В последнем случае весьма эффективно устройство ростверков в вытрамбованных котлованах, что одновременно приводит к значительному повышению несущей способности сваи на горизонтальные и вертикальные нагрузки.

Свайные фундаменты оказываются наиболее целесообразными при залегании ниже просадочных грунтов слоев с высокой несущей способностью (гравия, плотного крупного среднего песка, плотного сцементированного глинистого грунта и т. п.).

Расчет несущей способности свай по грунту производится в зависимости от типа грунтовых условий по просадочности, прогнозирования условий и режима замачивания просадочной толщи с соответствии с указаниями СП. Так, при проектировании свайных фундаментов в грунтовых условиях II типа по просадочности с возможной просадкой грунтов от собственного веса свыше 30 см следует, предусматривать мероприятия по переводу грунтовых условий II типа в I тип путем срезки грунта или уплотнения предварительным замачиванием, замачиванием со взрывом, глубинным уплотнением грунтовыми сваями и другими методами. Указанные способы должны обеспечивать устранение просадки грунтовой толщи от ее собственного веса в пределах площади, занимаемой зданием или сооружением, и на расстоянии, равном половине просадочной толщи вокруг него.

Нижние концы свай должны быть заглублены, как правило, в скальные грунты, пески плотные и средней плотности, глинистые грунты с показателем текучести в водонасыщенном состоянии.

Заглубление свай в указанные грунты должно назначаться по расчету путем проверки условия, что осадка сваи не превысит предельную осадку, и условия обеспечения требуемой несущей способности сваи. При этом принимают наибольшее из полученных значений заглубления сваи.

В грунтовых условиях I типа Расчет свай следует производить с учетом снижения несущей способности свай от замачивания просадочного грунта для следующих условий: а) при полном водонасыщении грунта, если возможно замачивание грунта, расчѐтные табличные характеристики принимаются при показателе текучести, соответствующему водонасыщенному состоянию грунта по формуле 9.1 СП 24.13330; б) если замачивание грунта невозможно, то предполагается, что возможно медленное повышение влажности до границы раскатывания (если при изысканиях значения природной влажности были меньше значений влажности на границе раскатывания); при этом характеристики грунта должны приниматься при влажности w=wр, а показатель текучести IL вычисляться по соответствующей формуле (IL = (w-wр)/ (wL-wр)).

В грунтовых условиях II типа расчет несущей способности сваи по грунту и расчетной допускаемой нагрузки на неѐ осуществляется с учетом сил отрицательного (негативного) трения по боковой поверхности сваи. Эти силы возникают при просадке грунтовой толщи под собственным весом вследствие нависания грунтов на свае. Учет сил негативного трения, производится в соответствии с СП «Свайные фундаменты».

Расчет по деформациям, при проектировании свайных фундаментов в грунтовых условиях I типа по просадочности и в случаях, когда отрицательные силы трения по боковой поверхности свай не проявляются, выполняется как для обычных грунтов (без учета просадочных свойств грунтов прорезаемых сваями).

Если по боковой поверхности свай возможно проявление отрицательных сил трения, то в соответствии с СП, осадка свайного фундамента определяется как для условного фундамента. При подсчете нагрузок на подошву условного фундамента не учитывается вес грунта в межсвайном пространстве, но добавляются силы отрицательного трения, определенные по формуле 9.3 СП 24.13330. В этом случае периметр u, м, равен периметру ростверка в пределах его высоты и периметру куста по наружным граням свай. После нахождения размеров условного фундамента и давления под его подошвой (Р) расчет осадки выполняется также методом послойного суммирования с подсчетом промежуточных значений напряжений в массиве грунта в табличной форме и построением соответствующих графиков напряжений. Проверяется выполнение условия по нормированию полученных совместных осадок свайного фундамента и основания. Необходимо добиться выполнения условия s ≤ s_u, где s – расчетная совместная деформация основания и фундамента, см; su – предельное значение осадки основания фундамента.