Фундаменты мелкого заложения и их основные виды. Применяемые материалы и их выбор. Виды конструкций сборных фундаментов.

М.11.1. Чем вызывается сопротивление грунта срезу?

Сопротивление грунта срезу вызывается сопротивлением междучастичных связей, зависящим от прикладываемого давления. Прочность связей зависит от вида грунта, его влажности и плотности.

М.11.2. Какая разница между срезом и сдвигом? Какой вид имеет схема прямого среза?

Срез происходит по определенной поверхности. Схема разрушения представлена на рис.М.11.2. Деформация сдвига захватывает некоторый объем и связана с перекашиванием прямоугольного элемента.

Под прямым срезом в механике грунтов понимается срез, изображенный на рис.М.11.2, однако часто под сдвигом понимается и прямой срез, а эти понятия отождествляются.

Рис.М.11.2. Схема разрушения грунта: а - срез; б - сдвиг:1 - плоскость среза

М.11.3. Что называется "критической" пористостью песка и какому состоянию песка она соответствует?

Деформация сдвига в грунтах связана с изменением объема, так как при сдвиге происходит перекомпоновка частиц. Особенно явно это проявляется в песке. При сдвиге в плотном песке происходит его разуплотнение, а в рыхлом  уплотнение. Однако существует такая начальная пористость песка, которая при сдвиге не изменяется. Эта пористость называется критической. Критическая пористость ближе по своему значению к максимальной.

М.11.4. Какой вид имеет закон Кулона для несвязного грунта? Что называется углом внутреннего трения песка?

Закон Кулона для несвязного грунта имеет следующий вид (рис.М.11.4,а):

где   угол внутреннего трения. Угол внутреннего трения следует рассматривать как параметр линейного графика среза образца песчаного грунта, который проведен через начало координат.

Однако в ряде случаев диаграмма может иметь начальный участок c₀, называемый зацеплением. Обычно величина этого зацепления очень невелика.

Рис.М.11.4. Результирующая схема испытания прямым срезом: а - песчаный грунт; б - глинистый грунт

М.11.5. От чего зависит угол внутреннего трения песка? Что такое угол естественного откоса и совпадает ли он с углом внутреннего трения?

Угол внутреннего трения зависит от крупности и минералогического состава песка, от его пористости и в значительно меньшей степени от влажности (часто от влажности совсем не зависит). Угол внутреннего трения не совпадает по своей величине с углом естественного откоса, именуемого иногда углом "внешнего трения". Угол естественного откоса влажного песка может быть больше угла внутреннего трения, так как в этом случае действуют капиллярные силы, удерживающие откос от разрушения.

М.11.6. Чем вызывается сопротивление срезу связного грунта?

Сопротивление срезу связного глинистого грунта вызывается междучастичными связями  пластичными водно-коллоидными и хрупкими цементационными.

Расчетная нагрузка.

Расчетная нагрузка от сооружения N_I=620 кН дана в исходных данных примера без учета собственного веса Q ростверка и надростверковой конструкции (в данном случаи стены подвала) и G-пригрузки грунтом и полом подвала на обрезах ростверка, так как конструкция фундамента еще не разработана. Поэтому после определения размеров ростверка (глубины заложения, ширины, высоты) и вычислений Q и G полная расчетная нагрузка, необходимая для вычисления F– фактической нагрузки, передающейся на одну сваю (пункт 6 состава проекта) определится как сумма всех нагрузок, действующих до отметки

подошвы ростверка:

N_I^полн=N_I+1,2(Q+G),

где 1,2 – обобщенный коэффициент перегрузки для перерасчета нормативных нагрузок Q и Gв расчетные по I предельному состоянию.

2. Назначение предварительной глубины заложения ростверка ирешение надростверковой конструкции.

На начальном этапе разработки проекта глубина заложения ростверка d_р может быть назначена лишь предварительно, так как неизвестна высота ростверка h_р, которая вычисляется после определения Р_св– расчетной нагрузки, допускаемой на одну сваю (п. 4этого примера). Назначив предварительно из конструктивных соображений h_р=0,5 м, получим глубину заложения ростверка d_р по отметкам, приведенным в исходных данных примера (рис. 10.1,б):

d_р=2,3+0,2+0,5-0,6=2,4 м.

*Прим. – нумерация примеров в 1й и 2й частях методических указаний сквозная.

Инженерно-геологические условия и глубина промерзания при назначении d_р в данном случае не учитываются (см.п. III.1). Полученную при d_р=2,4 м отметку подошвы ростверка и соответственно дна котлована 128.4 следует считать так же предварительной. Она должна быть откорректирована после вычисления h_р.

Надростверковая конструкция (стена подвала) может оставаться такой же, как в варианте фундамента неглубокого заложения, поскольку каких- либо убедительных аргументов для отказа от той конструкции нет. В соответствии с исходными отметками стена подвала по высоте может быть образована из трех блоков ФБС24.6.6, одного блока ФБС12.6.3 и двух рядов кирпичной кладки.

Термический метод

Широко используется для укрепления просадочных грунтов. Используется как для усиления лесовых грунтов, так и просто для подготовки оснований.

Суть метода: увеличение прочности структурных связей в грунте под влиянием высокой температуры. В пробуренных скважинах сжигают топливо – газообразное, жидкое, твердое, при этом подают в скважины воздух под давлением.

Подачу воздуха и топлива регулируют, чтобы температура обеспечивала заданное упрочнение грунта или ликвидацию его просадочных свойств. Для леса температура нужна не ниже 350 .

Обжиг макропористого лессового грунта продолжается 5-10 суток. При расходе жидкого топлива 80-180кг на 1м длинны скважины вокруг нее образуется столб закрепленного грунта диаметром 1,5-3 м с кубиковой прочностью 1-3Мпа. На просадочных грунтах термическая обработка должна производиться в пределах всей просадочной толщи.

Достоинство: малая материалоемкость, относительная быстрота набора прочности.

Недостатки: вариация формы закрепленных массивов в зависимости от неодинаковой газопроницаемости грунтов по глубине.

ВОПРОСЫ 22-25

26. Распределение напряжений от действия равномерно распределенной нагрузки (плоская задача).

Схема для расчета напряжений в основании в случае плоской задачи при действии равномерно распределенной нагрузки интенсивностью показана на рис. 3.6.а.

Точные выражения для определения компонент напряжений в любой точке упругого полупространства были получены Г. В. Колосовым в виде:

; ; ,(3.9)

где , , -коэффициенты влияния, зависящие от безразмерных параметров и ; и –координатные точки, в которой определяются напряжения; – ширина полосы загружения.

На рис. 3.7. а-в показано в виде изолиний распределение напряжении , и в массиве грунте для случая плоской задачи.

В некоторых случаях при анализе напряженного состояния основания оказывается удобнее пользоваться главными напряжениями. Тогда значения главных напряжений в любой точке упругого полупространства под действием полосовой равномерно распределенной нагрузки можно определить по формулам И. Х. Митчелла:

,(3.10)

где - угол видимости, образованный лучами, выходящими из данной точки к краям загруженной полосы (рис.3.6.б).

Силикатизация

Применяется для химического закрепления песков с Кф=0,5…80 м/сут, макропористых глинистых просадочных грунтов с Кф=0,2…2 м/сут (лессы), и отдельных видов насыпных грунтов.

Сущность метода заключается в нагнетании в грунт силикатаNa в виде раствора (жидкое стекло), которым заполняется поровое пространство. При соответствующих условиях (при наличии отвердителя), раствор переходит в гелеобразное состояние, затвердевая со временем. Создаются новые связи между частицами, что приводит к увеличению прочности уменьшению сжимаемости грунта.

Силикатизация:

· однорастворная (лессовый грунт)

· двухрастворная (пески)

- газовая.

-Особенностью силикатизации лессов является то, что в состав этих грунтов входят соли, выполняющие роль отвердителя жидкого стекла. Процесс закрепления происходит мгновенно, достигаемая прочность составляет 2МПа и более. Закрепление водоустойчиво, что обеспечивает ликвидацию просадочных свойств лессов.

Однорастворнаясиликатизация:

Na2OnSiO2 + СаSO4 + m(H2O) = nSiO2(m-1)H2O + Ca(OH)2 + Na2SO4

Na2OnSiO2 - жидкое стекло;

СаSO4 - соли в лессовом грунте;

nSiO2(m-1)H2O – гель кремниевой кислоты;

-Двухрастворный способ заключается в следующем. В грунт погружаются инъекторы (трубы d=38мм) с нижним перфорированным звеном, длиной 0,5…1,5м. Через них в пески нагнетается раствор силиката натрия под давлением 1,5 МПа. Через соседнюю трубу, погруженную на расстоянии 15…25см, нагнетают раствор хлористого кальция.

Иногда оба раствора начинают поочередно через один и тот же инъектор (первый раствор при его погружении, второй раствор при извлечении).

После твердения геля прочность достигает 2…5МПа.

Na2OnSiO2 + СаCl2 + (H2O)m = nSiO2(m-1)H2O + Ca(OH)2 + 2NaCl

Na2OnSiO2 – 1-ый раствор. Жидкое стекло;

СаCl2 - 2-ой раствор. Хлористый кальций;

nSiO2(m-1)H2O – вязкий материал, гель кремниевой кислоты.

Регулируя состав отвердителя можно в широких пределах варьировать время гелеобразования (от 20…30мин. до 10…16ч.). На полное твердение геля требуется 28 дней.

Увеличение времени гелеобразования необходимо в малопроницаемых грунтах, где для обеспечения необходимого радиуса закрепления требуется длительное время на проникновение раствора.

Пригазовой используется углекислый газ вместе с жидким стеклом, закачиваемые в грунт до и после нагнетания в него раствора.

Смолизация

– закрепление грунтов смолами.Сущность метода заключатся во введении в грунт высокомолекулярных органических соединений типа карбамидных, фенолформальдегидных и других синтетических смол в смеси с отвердителями – кислотами, кислыми солями.

Через определенное время в результате взаимодействия с отвердителями смола полимеризуется.

Время гелеобразования 1,5…2,5 часа, полное упрочнение происходит после двух суток. Смолизацияэффективна в сухих и водонасыщенных песках с Кф=0,5-25 М/сут.

Достигаемая прочность колеблется в пределах 1…5 МПа и зависит в основном от концентрации смолы в растворе.

Организация работ аналогична силикатизации.

Радиус закрепленной зоны составляет 0,3…1,0м и зависит от Кф.

Метод относится к числу дорогостоящих.

Смолизация аналогичнаоднорастворной силикатизации. Наибольшее применение для закрепления грунтов получила карбонитная смола.

ВОПРОСЫ 34-37

Новые свайные технологии

Устроймтво буронабивных свай технологией Атлас, Фундекс и Джет Граундинг.

Технология Atlas.

Сваи «Атлас» — набивные сваи, бетонируемые в скважинах; устраиваются путем ввинчивания инвентарных труб, нижний конец которых закрыт оставляемым в грунте башмаком.

Технология устройства свай «Атлас» заключается в образовании скважины под сваю без извлечения грунта — за счет его уплотнения ввинчиваемой инвентарной полой стальной трубой с режущим наконечником, нижний конец которой закрыт оставляемым в грунте башмаком. При ввинчивании трубы режущий наконечник отжимает и уплотняет грунт. Внутренний диаметр режущего наконечника равен диаметру буровых труб. Снизу буровая труба закрыта специальным теряемым башмаком.

Технология Fundex.

К наконечнику штыковым соединением через тройную гидроизолирующую мягкую прокладку крепится нижний конец штатной буровой толстостенной трубы, верхний конец которой зажат в силовом рабочем органе бурового стола, перемещающегося по направляющей стреле.

Скважина для будущей сваи создается путем вращательно-вдавливающего погружения системы «наконечник — буровая труба» до заданной отметки. В процессе внедрения системы в основание грунт раздвигается в радиальном направлении от оси скважины и одновременно уплотняется. По достижении наконечником проектной отметки труба проверяется на отсутствие воды.

В сухую инвентарную трубу через открытый верхний конец опускается арматурный каркас. Перед подачей бетонной смеси для предотвращения ее расслоения в трубу подается порция праймера, состоящего из одной части цемента, одной части песка и одной части воды. Затем производится порционное заполнение полости пластичным бетоном на мелком (5–20 мм) заполнителе с осадкой конуса 12–14 см посредством сбрасывания бетонной смеси из установленного на требу бункера.

Извлечение буровой трубы из грунта производится возвратным вращением с одновременным вытягиванием.

1. Размещение буровой установки на точке и погружение обсадной трубы

2. Погружение арматурного каркаса и бетонирование

3. Извлечение рабочего органа из грунта

4. Готовая свая

Погружение осадной трубы при выполнении свай «Fundex» производится также как и при выполнении свай «Atlas». Принципиальные отличия этой технологий заключаются в форме теряемого наконечника и принципе формирования ствола сваи. Режущий чугунный наконечник обсадной трубы остается в пяте сваи, а бетонирование ведется под защитой обсадной трубы.

Параметры сваи «Fundex»:

· Диаметр сваи зависит от размеров наконечника и может быть 380, 460, 540 мм.

· Максимальная длина сваи составляет 40м.

К достоинствам технологии можно отнести все перимущества технологии Atlas, кроме способности разбуривать валуны. Однако при бетонировании свай по данной технологии оно получается более равномерным, меньше вероятность возникновения уширений и шеек. Кроме того, работа по боковой поверхности у сваи «Fundex» выше, так как ее ствол гладкий, а не спиралевидный как у «Atlas».

Глубинное перемешивание

Технология глубинного смешивания грунта (Deep Soil Mixing - DSM), предложена впервые в Японии в начале 50-х годов 20 века, а в СССР в начале 60-х годов, и всё чаще находит применение в мире. Наиболее широко применяется метод влажного смешивания грунта (wet mixing methods - WMS), как наиболее универсальный и подходящий для всех типов грунта.

Суть метода

• Технология глубинного смешивания грунта заключается в изготовлении грунтоцементных колонн при помощи специального буросмесительного инструмента, состоящего из полой штанги и специального рабочего органа. В процессе бурения происходит размельчение и перемешивание грунта с водоцементным раствором или другими химическими реагентами (известь, зола, шлак, бентонит и др.) подаваемыми по полой штанге.
• Основной целью процесса смешения является равномерное рассеивание связующих элементов в грунте с целью быстрого и продуктивного получения химической реакции гидратации.
• Метод мокрого смешивания грунта позволяет устанавливать на месте буронабивные сваи (грунтоцементные колонны) диаметром от 400 мм до 1200 мм (определяется диаметром инструмента) и максимальной длиной 26 м. Данный метод является альтернативным вариантом струйной цементации грунтов (jet grouting).
• Различают две схемы устройства грунтоцементных свай: по первой подача цементной суспензии осуществляется в процессе погружения инструмента до проектной отметки (прямой ход) или в процессе извлечения инструмента (обратный ход), а по второй – как при прямом, так и обратном ходе инструмента. Схема устройства, состав и количество подаваемой смеси подбирается в зависимости от требуемых параметров цементогрунта, обеспечивая при этом необходимые прочностные характеристики. Повышенние плотности цементогрунта достигается путём добавления в смесь бетонита.
• Контроль параметров грунтоцемента по технологии DSM ведётся во время всего периода изготовления, а также после её выполнения. При производстве работ фиксируют длинy ствола колонны, скорость врращения смесителя, скорость погружения смесителя и количество закачанной цементной смеси. Прочность цементо-грунта подлежит обычным испытаниям на стандартных кубиках.

Типы грунта

Применение технологии влажного смешивания наиболее эффективно и целесообразно в песчаных и супесчаных грунтах. Наличие грунтовых вод не является противопоказанием к применению метода. В связных грунтах более эффективен сухой метод с применением негашенной извести и цемента.

Применение технологии DSM

- устройство буронабивных свай;
- закрепление (стабилизация) грунтов оснований зданий и сооружений;
- устройство ограждений котлованов (альтернатива классическому методу "стена в грунте" и буросекущимся сваям);
- создание противофильтрационных завес;
- усиление (укрепление) склонов, откосов, дорожных насыпей;
- контурное усиление фундаментов;
- снижения вибраций машин с динамическими воздействиями.

Преимущества

- Отсутствие вибраций — может применяться в местах с высокой концентрацией построек и в жилых районах.
- Низкие шумы — благодаря особой конструкции бурового привода без применения механизма зубчатой передачи уровень шума сведен к минимуму.
- Производительность — высокая частота вращения шнека увеличивает суточную производительность бурового оборудования.
- Экономичность — снижение затрат за счет малого расхода цемента, использование местного наполнителя, отсутствия необходимости в выемке грунта, экономичнее струйной цементации грунтов (jet grouting).
- Экологичность — отсутствие необходимости в подвозе наполнителя и вывозе грунта с места работ, а также в утилизации и переработке загрязненного грунта.

Армирование грунта

Оптимальное распределение жестких элементов в объеме грунтового массива как в естественном залегании, так и искусственно сформированного улучшает структуру взаимодействия всех видов внутренних напряжений армированной системы, что увеличивает её сопротивляемость сжимающим, сдвигающим и растягивающим усилиям и позволяет решать разнообразные инженерные задачи (увеличение несущей способности грунтового основания, контроль за устойчивостью склонов и откосов горных выработок, стабилизация осадок инженерных сооружений и т. д.). Элементами пространственных структур могут быть свайные и траншейные стены — метод «стена в грунте», свайные поля и другие несущие или удерживающие конструкции. Кроме упомянутых методов армирования грунтовых массивов выделяются также: создание балластных колонн и песчаных свай, устройство буроинъекционных анкеров и буроинъекционных свай, «гвоздевание» грунтов, грунтовые геокомпозиты с армирующими элементами в виде лент или сплошных матов из геотекстиля (пленки, сетки, ткани, металлические полосы, стержни и т. д.).

При армировании оснований могут быть использованы прочностные и деформативные свойства геопластических материалов. Силы, способные разрушить основания, передаются на геотекстиль посредством касательного напряжения в местах его контакта с грунтом. Геосинтетика позволяет уменьшить полосу отвода как при новом строительстве, так и при расширении проезжей части. Эффективно ее использование для ремонта обрушенных откосов дорог.
Одними из самых популярных материалов для армирования откосов, насыпей, строительства дорог являютсягеорешетки. С их помощью можно не просто значительно увеличить несущие способности конструкций, но и предотвратить вдавливание щебня в мягкую подоснову, а также противостоять разрушительному действию морозов, что особенно важно для нашей климатической зоны. Высокая эффективность армирования достигается вследствие оптимального сцепления с крупными механическими фракциями грунтов, высокого сопротивления к боковому выдергиванию и малого коэффициента ползучести. Созданные конструкции приобретают долговременную устойчивость.

Анкерные системы

Фундаменты мелкого заложения и их основные виды. Применяемые материалы и их выбор. Виды конструкций сборных фундаментов.

К фундаментам мелкого заложения относятся фундаменты, имеющие отношение высоты к ширине подошвы, не превышающее 4, и передающие нагрузку на грунты и основания преимущественно через подошву.

Подошвой фундаменты называется его нижняя плоскость, соприкасающаяся с основанием; верхняя плоскость фундамента, на которую опираются наземные конструкции называется обрезом. За ширину подошвы принимается минимальный размер подошвы b, а за длину наибольший ее размер l. Высота фундамента h_f есть расстояние от подошвы до обреза, а расстояние от поверхности планировки до подошвы d называется глубиной заложения фундамента.

Основными частями фундамента являются: обрез; подошва, боковая поверхность и ступени (рис.Ф.9.2,а). Верхняя плоскость фундамента, на которую опираются надземные конструкции (2), называется обрезом (3) фундамента. Нижняя плоскость, через которую передается нагрузка на основание, является подошвой (4). Вертикальные плоскости образуют боковую поверхность.

Рис. Ф.9.2. Фундаменты под колонну (а,б) и под стену (в): 1 – фундамент; 2 – колонна; 3 – обрез фундамента; 4 – подошва фундамента; 5 – подколонник; 6 – бетонные блоки

Расстояние от поверхности планировки DL до подошвы называется глубиной заложения d. Высота фундамента hf определяется расстоянием от подошвы фундамента до его обреза. За ширину подошвы фундамента принимается ее наименьший размер b, а за длину − ее больший размер l, то есть l≥b. Фундаменты под колонны могут иметь одну или несколько ступеней. Верхняя часть такого сборного фундамента имеет подколонник. Место в подколоннике, в которое устанавливается колонна, называется стаканом. Вертикальная часть наружного ленточного фундамента образует фундаментную стену.

В качестве материала фундаментов используются бетон, железо5 бетон, бут, кирпич. Основными материалами для фундаментов являются железобетон и бетон, которые применяются при устройстве всех видов фундаментов в различных инженерно5геологических условиях. Железобетонные фундаменты выполняются из бетона марки не ниже В15 с армированием горячекатаной арматурой из стали класса А5III, А5I. Каменная кладка фундаментов из кирпича, бута и пустотелых блоков предусматривается в конструкциях, работающих на сжатие, в основном для ленточных фундаментов и стен подвалов.

Бутобетон и бетон используются при устройстве фундаментов в траншеях при их бетонировании враспор со стенками.

Различают следующие основные типы фундаментов мелкого заложения (рис.Ф.9.12).

1. Ленточные фундаменты под стены и колонны.

2. Ленточные прерывистые фундаменты под стены.

3. Столбчатые фундаменты под стены.

4. Отдельно стоящие фундаменты под колонны.

5. Щелевые фундаменты.

6. Фундаменты в вытрамбованных котлованах.

7. Сплошные фундаменты в виде железобетонных плит.

8. Коробчатые фундаменты.

Рис.Ф.9.12. Фундаменты мелкого заложения: а – сборный ленточный, прерывистый; б, в, г,д – поперечные сечения ленточных фундаментов под стены; е – ленточный монолитный под колонны; ж – фундамент из перекрестных лент; з, к – отдельно стоящий из сборных столбов и рандбалок; л,м – отдельно стоящий под колонны; н – коробчатый плитный; о – плоский плитный; п – многоугольный плитный; р – плитный под колонны;

1 – отмостка; 2 – гидроизоляция; 3 – сборные бетонные стеновые блоки; 4 – армированный пояс; 5 – подушка ленточного фундамента; 6 – стено5 вая ребристая панель; 7 – подушка под колонну (столб); 8 – колонна (столб); 9 – рандбалка сборная; 10 – колонна; 11 – железобетонная лента; 12 – железобетонная плита; 13 – бетонная подготовка