Тетиор - Прогрессивные конструкции фундаментов для условий Урала и Тюменской области

В книге описаны инженерно-геологические условия и  рациональные конструкции фундаментов для Урала и Тюменской  области. Наряду с широко применяемыми конструкциями свай и фундаментов, приведены новые конструкции, характеризующиеся  небольшим расходом материалов при высокой несущей способности.

Даются методы расчета и способы производства работ для новых конструкций свай и фундаментов. Книга предназначена для работников строительных,  проектных и научно-исследовательских организаций.

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Проектирование и возведение фундаментов в климатических и грунтовых условиях Урала и Западной Сибири относятся к сложным задачам строительства, от успешного выполнения  которых в большой мере зависит своевременный ввод в строй новых заводов и жилых массивов. В этих условиях строительства к конструкциям фундаментов предъявляется ряд повышенных  требований: полная сборность, малые трудозатраты при  изготовлении и монтаже, минимальный расход материалов,  индустриализация процессов изготовления и монтажа, транспортабельность, минимальное количество типоразмеров и др. Поэтому следует рекомендовать для широкого применения только те конструкции фундаментов, которые в наибольшей степени отвечают этим  повышенным требованиям.

В настоящее время в фундаментостроении нашли применение разнообразные типы свай и фундаментов мелкого заложения [1, 2]. Выбор того или иного типа сваи или фундамента  определяется грунтовыми условиями, видом сооружения и нагрузок, а также некоторыми специальными требованиями (коррозионная устойчивость, защита от тепловыделений и др.). Обычно в одинаковых условиях может быть применено несколько типов  фундаментов, поэтому окончательный вариант выбирают по  результатам технико-экономического анализа [3]. При определении технико-экономических показателей следует учитывать не  только расход бетона, стали и общую стоимость фундаментов, но и сроки строительства. Доказано, что срок возведения  фундаментов может решающим образом повлиять на выбор варианта для строительства. В результате может быть применен фундамент, стоимость изготовления которого несколько выше стоимости  других вариантов фундаментов [3].

Сборные железобетонные фундаменты, изготовляемые в  заводских условиях, имеют большие преимущества перед  монолитными, так как значительная доля трудозатрат переносится со стройплощадки на завод. Срок изготовления сборных  фундаментов практически не влияет на продолжительность строительства, потому что фундаменты могут быть изготовлены заранее. В данной работе рассмотрены рациональные конструкции свай и фундаментов для различных грунтовых условий Урала и Тюменской области. Наряду с обычными типами описаны новые виды свай и фундаментов, разработанные и исследованные в лаборатории оснований и фундаментов Уральского промстройниипроекта.

Разработка и внедрение новых типов свай и фундаментов при строительстве промышленных и гражданских зданий и  сооружений осуществлялись при поддержке строительных организаций: Главсредуралстроя, Главтюменьнефтегазстроя, Главтюменьпромстроя и Уралэлектросетьстроя.

 

Глава I. РАЦИОНАЛЬНЫЕ ТИПЫ ФУНДАМЕНТОВ ДЛЯ ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЙ УРАЛА И ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ

Инженерно-геологические условия

Средний Урал

Горные сооружения Урала претерпели сложную историю  геологического развития, на протяжении которой интенсивные  горообразовательные процессы неоднократно сменялись  выравниванием поверхности.

Под действием физического и химического выветривания (резких колебаний температуры, объемных деформаций,  механических воздействий, а также процессов окисления, гидратации, гидролиза, растворения и карбонизации) происходило  раздробление и измельчение горных пород. В результате физического выветривания горные породы разрушались до определенных  пределов на глубину от 2 до 10 м. При химическом выветривании происходило резкое измельчение зерен и образование из  первичных (материнских) минералов породы вторичных (глинистых) минералов, между частицами которых возникали пластичные связи. Химическое выветривание способствовало формированию мощной коры выветривания, распространенной в глубину на 50—200 и более метров [4, 5].

По схеме распространения и строения различают площадный и линейный типы коры выветривания. При площадном типе кора выветривания имеет небольшую толщину, разделена на зоны по высоте и занимает ограниченную площадь в плане. Для  линейного типа характерно образование глубоких и относительно узких участков выветривания, называемых «карманами» выветривания. Этот вид коры выветривания особенно распространен в  геологических условиях Урала [4].

Основанием для фундаментов мелкого заложения на Урале в большинстве случаев служат элювиальные грунты,  являющиеся продуктами выветривания магматических, метаморфических и осадочных пород (оставшиеся на месте их образования) в зависимости от степени распада пород Л. И. Корженко классифицирует зоны выветривания следующим образом (рис. 1):

1-я — продукты физического выветривания, сохранившие прочность в обломках: разборная скала, щебень, дресва, песок и пыль;

2-я — продукты химического выветривания, частично  сохранившие структурную связность материнской породы: рухляк, сапролит, глина, суглинок, супесь;

3-я — продукты физического и химического выветривания, полностью утратившие структурную связность материнской  породы: рухляковая разборная скала, рухляковый или сапролитовый щебень, дресва и глинистый грунт с включением щебня и дресвы.

Основанием для большинства забивных свай на Урале служат грунты второй и третьей зон (рухляки, сапролиты,  глинистые грунты). Острие или уширение в нижней части буронабивных свай можно опереть на грунты первой зоны выветривания (разборная скала, щебень, дресва), что значительно повысит их несущую способность. В случае большой глубины залегания грунтов первой зоны выветривания целесообразно, как  показывает опыт, применение буронабивных висячих свай с профилированной поверхностью.

Наличие «карманов» выветривания и сложное геологическое строение площадок требуют особо внимательного отношения со стороны проектировщиков и строителей. На рис. 2 показаны  характерные схемы геологических разрезов двух площадок  строительства с глубокими «карманами» выветривания и переменным уровнем залегания слабосжимаемого рухляка под слоем элювиального суглинка. Под подошвой фундаментов мелкого  заложения, таким образом, находятся разные по высоте слои грунта, что вызывает неравномерную осадку. Проектирование и  строительство в этих условиях осложняется еще и тем, что ряд  глинистых грунтов Урала склонен к морозному пучению. Силы  морозного пучения и деформации грунта при замерзании и оттаивании достигают значительных величин [4]. Осадка при оттаивании обычно превышает деформации от промерзания грунтов, что еще более осложняет строительство. Если фундаменты установлены в промороженный котлован, здание в процессе строительства и некоторое время после окончания строительства не получает недопустимых осадок. Оттаивание засыпанного дна котлована происходит обычно к августу-сентябрю, после чего наблюдается резкий рост осадок и раскрытие трещин в панелях стен подвала или в блоках фундаментов [4].

Некоторые грунты на Урале не подвержены морозному  пучению и допускают устройство фундаментов мелкого заложения в каждом конкретном случае строительства необходимы полные инженерно-геологические изыскания. На основе проведенных В. Б. Швецом, Б. Н. Мельниковым, П. П. Казаковым, Б. И. Коченгиным, Г. Б. Кульчицким исследований можно с необходимой точностью установить физико-механические характеристики грунтов и данные по морозному пучению [4, 6].

Тюменская область

Тюменская область расположена на территории  Западно-Сибирской низменности. В крайней северной части области  простираются морские аккумулятивные равнины, сложенные песчано-глинистыми морскими осадками. Южнее расположены  ледниковые аккумулятивные равнины, образованные ледниковыми и флювиогляциальными супесями, суглинками, глинами с  включением разнозернистых песков, гравия, галечника и валунов.

Центральную часть области занимают аккумулятивные приледниковые равнины, сложенные озерноаллювиальными и водно-ледниковыми песчано-глинистыми осадками.

В южной части находятся аллювиальные равнины, покровные отложения которых состоят из песчано-глинистых осадков рек и озер.

Покровные образования в Тюменской области можно  подразделить на две зоны, каждая из которых имеет и свои  климатические особенности [7]. К первой зоне относятся морские и ледниковые равнины с широким развитием на севере тундры и лесотундры. К югу простираются редкостные заболоченные елово-лиственные леса. Эта зона — избыточного увлажнения.

Превышение осадков над испарением составляет 150 мм/год на севере зоны и 250 мм/год на юге. В тундре из-за вечномерзлых грунтов и плоского рельефа ослаблены естественный дренаж и поверхностный сток, что  служит причиной заболоченности. Характерным видом покровных образований является торф, мощность которого увеличивается с севера на юг. На севере арктические тундровые минерально-осоковые торфяники имеют мощность отложений до 0,3 ж, южнее распространены крупнобугристые и грядово-мочажинные  болота с мощностью торфа до 10—12 м и площадью в несколько квадратных километров.

Вторая зона — долины крупных рек — сложена  аллювиальными отложениями, мощность которых достигает 300 м. Ближе к Уралу мощность рыхлых отложений уменьшается. В результате обобщения данных инженерно-геологических изысканий установлено, что расположенные вблизи дневной  поверхности пески, супеси, суглинки и глины в талом состоянии имеют малые значения модуля деформации и высокий  коэффициент сжимаемости.

Большая часть грунтов обладает свойством пучения при промерзании.

В талом состоянии грунты Тюменской области относятся к слабым. Торфы как основания зданий имеют большую  сжимаемость под нагрузкой, характеризуются длительной консолидацией II могут быть использованы в качестве оснований без  предварительной подготовки территории лишь в редких случаях. На севере Тюменской области в зоне распространения вечномерзлых грунтов выделены три зоны [8]. Первая зона — сплошного и по площади и по глубине распространения вечномерзлых грунтов. Она расположена в пределах тундры и  лесотундры.

Вторая зона — островного распространения и двухслойного строения вечномерзлых грунтов. Вплоть до 63° с. ш. верхний слой вечномерзлых грунтов имеет мощность 30—80 м, ниже залегают талые грунты, подстилаемые с глубины 150 м вторым слоем  вечномерзлых грунтов (реликтовым) мощностью 200—300 м. 

Севернее 65° с. ш. мерзлые грунты занимают более 50% всей  территории и расположены островами на торфяниках и в междуречьях. В южных районах области (третья зона) распространен  только второй слой вечномерзлых грунтов. Эти грунты находятся в пластичномерзлом состоянии.

Южнее третьей зоны при застройке территории происходит понижение температуры грунтов основания и образование  вечной мерзлоты (например, в Сургуте и Нижневартовске) [8]. Южнее 60° с. ш. повсеместно встречаются лессовые грунты.

В северной части зоны своего распространения лессовые грунты не обладают просадочными свойствами, южнее они слабопросадочны и просадочны, особенно в районе 56—50° с. ш. [7].

Таким образом, инженерно-геологические условия Тюменской области разнообразны и отличаются большой сложностью с  точки зрения использования грунтов как оснований зданий и  сооружений. Многообразие видов грунтовых условий определяет и применение различных конструкций фундаментов. В  зависимости от вида здания, геологического разреза, гидрогеологической характеристики площадки могут быть применены различные типы свайных, столбчатых или сплошных фундаментов. Особенности выбора площадки для строительства и устройства котлованов глубокое сезонное промерзание, наличие вечномерзлых  грунтов, высокий уровень грунтовых вод, сложные напластования по глубине затрудняют устройство котлованов и вызывают большие осадки фундаментов.

Как указывает Б. И. Далматов, в общем случае суммарная осадка фундамента слагается из четырех составляющих, зависящих от уплотнения грунта, разуплотнения грунта на дне  котлована при производстве работ, выпирания за счет развития  пластических деформаций и нарушения структуры грунта при  строительстве [2].

Для Тюменской области характерно наличие всех  перечисленных причин развития неравномерной осадки фундаментов (табл. 1). Площадку для строительства следует выбирать с  учетом получения минимальных неравномерных осадок уплотнения особенно из-за выклинивания и линзообразного залегания слоев грунта с различной плотностью. Если требуется разместить сооружение в пределах заданной площадки, характеризующейся неравномерным залеганием слоев грунта, необходимо установить расчетом ожидаемую неравномерность осадки уплотнения и  предусмотреть в конструкциях фундамента и здания специальные меры для предотвращения трещин: осадочные швы, повышение жесткости здания и др. (табл. 2).

Расструктуривание грунтов основания может служить одной из причин больших и неравномерных осадок. Оно обусловливается метеорологическими воздействиями (пучение при промерзании, осадка при оттаивании, набухание грунта при  увлажнении, высыхание под действием ветра и солнечной радиации), а также действием грунтовых вод и газов (разрушение от гидростатического давления, гидродинамического давления, суффозии грунта) [2].

Для восприятия дополнительных усилий, возникающих в  стенах и фундаментах зданий от изгиба при неравномерной осадке, необходимо предусматривать специальные армированные пояса. Сечение арматуры в поясах рассчитывается с учетом  распределения усилий при изгибе стены как для обычного изгибаемого элемента. Одновременно с расчетом продольной арматуры  проверяют кирпичную кладку стен на действие главных  растягивающих напряжений, которые должны быть меньше прочности кладки на растяжение.

Армированные пояса устраиваются в утолщенных швах кладки или бетонируются на проектных отметках с размещением арматуры в двух уровнях. Для расчета принимают один из видов эпюр контактных давлений для неравномерно сжимаемых  грунтов [2].

Строительство фундаментов в условиях вечномерзлых грунтов

Как известно [1, 8], при строительстве в условиях  вечномерзлых грунтов могут применяться четыре метода возведения  фундаментов: без учета вечномерзлого состояния грунтов, с сохранением вечномерзлого состояния грунтов, с допущением оттаивания вечномерзлых грунтов при  строительстве и эксплуатации сооружения, с предпостроечным оттаиванием грунтов.

Фундаменты, используемые по принципу сохранения  вечномерзлого состояния грунта, должны быть запроектированы с учетом предохранения грунта от оттаивания и исключения  морозного пучения фундамента. Для предотвращения оттаивания  грунта могут служить конструктивные мероприятия, относящиеся к схеме здания или к типу фундамента. В первом случае  устраиваются проветриваемые подполья, охлаждающие каналы, подсыпки для теплоизоляции и др. Во втором случае необходимо  заглублять фундамент в вечную мерзлоту, поэтому наиболее эффективны вмороженные сваи, сваи с уширениями, которые работают как анкера, а также термосваи (например, конструкции С. И. Танеева), постоянно охлаждающие околосвайное пространство (рис. 3).

Глубина заложения свай и фундаментов мелкого заложения назначается с учетом мощности деятельного слоя. Следует  предусматривать заглубление свай и фундаментов ниже верхней границы вечной мерзлоты из расчета анкеровки с целью  предотвращения выпучивания. Для противодействия силам морозного пучения можно использовать также увеличение нагрузки на фундамент и снижение сил смерзания грунта с фундаментом путем применения специальных обмазок или обсыпок (из несмерзающихся материалов).

При производстве работ следует создать условия для сохранения вечномерзлого состояния грунта: не допускать нарушения растительного покрова (травяного, мохового, кустарника). Для этого устраиваются специальные подсыпки, по которым  осуществляется передвижение механизмов.

Выработку мерзлых грунтов в котлованах для обычных  фундаментов ведут с применением механического рыхления, оттаивания, вымораживания и взрывов.

Для механической разработки мерзлых грунтов используются обычные механизмы ударного действия, снабженные иногда виброклиньями. Предварительно мерзлый грунт размораживают с помощью электропрогрева, паропрогрева или огневым способом (сжиганием жидкого топлива в стальных кожухах). Слой грунта, расположенный под подошвой фундаментов, оставляют в мерзлом состоянии. Окончательную планировку для котлована производят вручную, чтобы не снизить прочность вечномерзлого грунта.

Метод разработки грунта оттаиванием применяется в зимних условиях, когда деятельный слой находится в промерзшем состоянии. Осенью целесообразно применять вымораживание талых грунтов. С наступлением заморозков постепенно разрабатывают замерзшие слои грунта, что ведет к дальнейшему промораживанию дна и стенок котлована. В случае применения вымораживания необходимо предусмотреть меры против затопления котлована талыми водами.

Для бетонирования фундаментов применяются жесткие  бетонные смеси с ускоренным твердением для предохранения дна котлована от оттаивания, а бетона — от замораживания. С этой же целью применяют укладку бетона на термоизоляционный слой, расположенный на дне котлована. Для максимального упрощения производства работ следует использовать сборные конструкции. Одним из наиболее эффективных типов фундаментов в условиях вечномерзлых грунтов является свайный фундамент.

Установка свай в проектное положение может  осуществляться несколькими способами. Ниже описаны основные из них: установка свай в пробуренные скважины, установка свай в протаянные скважины с последующей  забивкой до отказа, забивка (реже вибропогружения) свай в мерзлый грунт.

Для назначения времени передачи на вмороженную сваю расчетной нагрузки важно знать продолжительность  естественного смерзания боковой поверхности свай с вечномерзлым  грунтом. Как показали экспериментальные исследования, в  начальный период нагрузка передается через острие, но по мере  смерзания боковой поверхности с грунтом все большая часть усилия передается через боковую поверхность. Через определенное  время, зависящее от способа образования скважины, температуры вечномерзлого грунта, вида грунта, происходит полное  смерзание боковой поверхности сваи с вечномерзлым грунтом. В это время для свай длиной более 5—6 м основная часть нагрузки воспринимается поверхностью смерзания сваи с грунтом. Силы смерзания служат и для предотвращения пучения свай при  выпучивании деятельного слоя.

Наименее продолжительно время смерзания боковой  поверхности свай с грунтом при их забивке в вечномерзлый грунт. Способ проходки скважин бурильными агрегатами с  последующей установкой свай и заполнением пространства между  стенками скважины и сваей жидким грунтом (мокрым песком или жидкой песчано-глинистой смесью) дает более  продолжительное время смерзания, но зато он позволяет устанавливать сваи с большой точностью. Кроме того, при этом способе можно  получить данные о виде и состоянии грунта в основании свай и избежать поступления в грунт большого количества тепла. Широко распространенный способ протаивания скважин  паром при помощи паровых игл позволяет быстро устанавливать сваи в грунт, однако на эффективность этого способа оказывают большое влияние тип грунта (наличие твердых включений), его температура и содержание в нем льда и др. Перед началом работ необходимо установить эффективность применения паровых игл, так как неравномерное и длительное погружение паровых игл вызывает поступление в грунт большого количества тепла,  образование скважин большого диаметра и продолжительное последующее замерзание грунта. Иногда после установки и добивки свай требуется заклинивание их в проектном положении до замерзания грунта в околосвайном пространстве.

...