Особенности проектирования оснований сооружений, возводимых на набухающих грунтах

4.1.(4.1). Основания, сложенные набухающими грунтами, должны про­ектироваться с учетом способности таких грунтов - при повышении влажности увеличиваться в объеме - набухать. При последующем понижении влажности у набухающих грунтов происходит Обратный процесс - усадка.

Необходимо учитывать, что способностью набухать при увеличении влажности обладают некоторые виды шлаков (например, шлаки электроплавильных производств), а также обычные пылевато-глинистые грунты (не набухающие при увеличении влажности), если они замачиваются химическими отходами производств (например, растворами серной кислоты).

4.2. При использовании шлаков в качестве оснований возможно их набухание и появление деформаций в сооружениях. В связи с этим необходимо проводить исследования, направленные на изучение набухания шлаков.

Пригодность, например, электропечного шлака для использования в качестве оснований можно оценить по магнезиальному мо­дулю

который должен быть не более 0,6.

Возможность набухания нескальных грунтов при их замачивании отходами производств устанавливается опытным путем в лабораторных или полевых условиях. Если в процессе испытаний грунтов будет выявлена их способность к набуханию, то проектирование сооружений следует осуще­ствлять с учетом величины набухания.

4.3.(4.2). Набухающие грунты характеризуются давлением набухания , влажностью набухания , относительным набуханием при заданном давлении и относительной усадкой при высыхании .

Указанные характеристики определяются в соответствии с требования­ми обязательного приложения 2.

4.4. Деформации основания в результате набухания и усадки грунтов зависят от давления на основание, вида и состояния грунта, толщины слоя набухающего грунта, площади замачивания, физических и химических свойств жидкости, замачивающей основание.

4.5.Давление, действующее на грунт, в значительной мере влияет на величину набухания: с его увеличением набухание уменьшается. Наиболее резкое уменьшение наблюдается при возрастании давления от 0 до 0,15 МПа. При большем давлении это уменьшение проявляется не столь резко. Состояние грунта - влажность и плотность - оказывает существенное влияние на величину набухания. С возрастанием начальной влажности уменьшается набухание, и при определенной начальной влажности, равной вла­жности набухания, деформаций разуплотнения не происходит. В противоположность этому с увеличением начальной плотности линейно возрастает набухание грунта. Существует так называемая начальная плотность гру­нта, при которой набухание отсутствует.

4.6(4.3). При проектировании оснований, сложенных набухающими грунтами, следует учитывать возможность:

набухания этих грунтов за счет подъема уровня подземных вод или ин­фильтрации - увлажнения грунтов производственными или поверхностными водами;

набухания за счет накопления влаги под сооружениями в ограниченной по глубине зоне вследствие нарушения природных условий испарения при застройке и асфальтировании территории (экранирование повер­хности);

набухания и усадки грунта в верхней части зоны аэрации за счет изменения водно-теплового режима (сезонных климатических факторов);

усадки за счет высыхания от воздействия тепловых источников.

Примечание. При проектировании заглубленных частей сооружений должны учитываться горизонтальные давления, возникающие при набухании и усадке грунтов.

4.7. Горизонтальное давление р определяется по формуле

(178)

где - коэффициент условий работы, равный 0,85;

- коэффициент, зависящий от интенсивности набухания и принима­емый по табл. 94;

-максимальное горизонтальное давление, определяемое в лабораторных условиях.

Таблица 94

Интенсивность набухания за 1 сутки, %	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7
	1,40	1,25	1,12	1,05	1,02	1,01	1,00

4.8.(4.4). Основания, сложенные набухающими грунтами, должны рас­считываться в соответствии с требованиями разд. 2.

Деформации основания в результате набухания или усадки грунта дол­жны определяться путем суммирования деформаций отдельных слоев ос­нования согласно указаниям обязательного прил. 2.

При определении деформаций основания осадка его от внешней наг­рузки и возможная осадка от уменьшения влажности набухающего грунта должны суммироваться. Подъем основания в результате набухания грунта определяется в предположении, что осадки основания от внешней нагрузки стабилизировались.

Предельные значения деформаций, вызываемых набуханием (усадкой) грунтов, допускается принимать по рекомендуемому прил. 4 с учетом требований 2.256(2.55).

В расчете используются величины относительного набухания или относительной усадки , суммарные давления, действующие в рассматриваемых слоях грунта: от собственного веса грунта, нагрузок, передавае­мых от фундамента здания или сооружения, и дополнительного давления, вызванного влиянием неувлажненной части массива грунта.

4.9. При расчете оснований из набухающих грунтов должны применя­ться характеристики грунтов при их природной плотности к влажности.

При определении расчетного сопротивления основания из набухающих грунтов основания рекомендуется учитывать допустимость его повы­шения в 1,2 раза согласно указаниям п. 2.203(2.47), что будет способствовать уменьшению величины подъема фундамента при набухании грунта.

4.10(4.5). Нормативные значения относительного набухания и относительной усадки определяются по результатам лабораторных испытаний с учетом указанных в п. 4.6(4.3) причин набухания или усадки.

Расчетные значения характеристик и допускается принимать равным нормативным, полагая в формуле 2.8(1) коэффициент надежности по грунту .

4.11. Нормативные значения и могут быть получены по данным полевых испытаний.

Обработка результатов лабораторных испытаний грунтов производится путем вычисления методом наименьших квадратов зависимости и . Минимальное число определений и в лабораторных условиях при заданном давлении должно быть не менее 4. При использовании результатов полевых исследовании допускается определять величины и по единичным значениям. Характеристики на­бухающих грунтов определяются в полевых или лабораторных условиях в зависимости от степени набухания грунта (табл. 95).

Таблица 95

	Исследование грунтов
Характеристики	полевые	лабораторные
набухающих грунтов	слабо набу­хаю­щих	средне набу­хаю­щих	сильно набу­хаю­щих	слабо набу­хаю­щих	средне набу­хаю­щих	сильно набу­хаю­щих
	-	+	+	+	+	+
	-	-	-	+	+	+
Давление набухания	-	+	+	+	+	+
Нижняя граница зоны набухания	-	+	+	Расчетным путем по значению

Примечание. Знак «+» означает необходимость выполнения исследо­ваний.

4.12(18 прил. 2). Подъем основания при набухании грунта опреде­ляется по формуле

(179(18 прил. 2))

где - относительное набухание грунта i-го слоя, определяемое по указаниям п. 4.13(19 прил. 2);

- толщина i-го слоя грунта;

- коэффициент, определяемый по указаниям п. 4.15(20 прил. 2);

п - число слоев, на которое разбита зона набухания грунта.

4.13(19 прил. 2). Относительное набухание грунта определяется по формулам:

при инфильтрации влаги

(180(19 прил. 2))

где -высота образца природной влажности и плотности, обжатого без возможности бокового расширения давлением р, равным сумма­рному вертикальному напряжению на рассматриваемой глубине (значение определяется по указаниям п. 4.16 (21 прил. 2);

- высота того же образца после замачивания до полного водонасыщения, обжатого в тех же условиях;

при экранировании поверхности и изменении водно-теплового режима

(181(прил. 2))

где k - коэффициент, определяемый опытным путем (при отсутствии опы­тных данных принимается k=2);

- конечная (установившаяся) влажность грунта;

и - соответственно начальные значения влажности и коэффициента пористости грунта.

4.14. Значение слоя i при экранировании определяется по экспериментальной зависимости влажности набухания от нагрузки при величине давления, вычисляемой по формуле

(182)

где - удельный вес воды, кН/м³;

- расстояние от поверхности до уровня подземных вод, м;

- глубина залегания рассматриваемого слоя, м;

- суммарное напряжение а рассматриваемом i-ом слое, МПа;

- удельный вес грунта i-гo слоя, кН/м³.

Методика определения зависимости аналогична методике определения .

Значение () при изменении водно-теплового режима определяется как разность между наибольшим (в период максимального увлажнения) и наименьшим (в период максимального подсыхания) значениями влажности грунта. Коэффициент пористости в этом случае принимается для влажности грунта, отвечающей периоду максимального подсыхания. Профиль влажности массива для случая максимального увлажнения и по­дсыхания определяется экспериментальным путем в полевых условиях.

4.15(20 прил. 2). Коэффициент входящий в формулу (179)(18 прил. 2), в зависимости от суммарного вертикального напряжения на рассматриваемой глубине принимается равным:

0,8 при =0,05 МПа (0,5 кгс/см²)

и 0,6 при =0,3 МПа (3 кгс/см²),

а при промежуточных значениях - по интерполяции.

4.18(21 прил. 2). Суммарное вертикальное напряжение на глуби­не от подошвы фундамента рис. 62(4 прил. 2) определяется по формуле

(183(21 прил. 2))

где - вертикальные напряжения соответственно от нагрузки фундамента и от собственного веса грунта;

- дополнительное вертикальное давление, вызванное влиянием веса неувлажненной части массива грунта за пределами площади замачивания, определяемое по формуле

(184(22 прил. 3))

где - коэффициент, принимаемый по табл.96 (6 прил.2).

Рис. 62. Схема к расчету подъема основания при набухании грунта

Таблица 96 (6 прил. 2)

Коэффициент

	Коэффициент при отношении длины к ширине замачиваемой площади , равном
0,5
	0,58	0,5	0,43	0,36	0,29
	0,81	0,7	0,61	0,5	0,4
	0,94	0,82	0,71	0,59	0,47
	1,02	0,89	0,77	0,64	0,53
	1,07	0,94	0,82	0,69	0,77

4.17(22 прил. 2). Нижняя граница зоны набухания рис. 62(5 прил. 2):

а) при инфильтрации влаги - принимается на глубине, где суммарное вертикальное напряжение п. 4.15(21 прил. 2) равно давлению набухания ;

б) при экранировании поверхности и изменении водно-теплового режима - определяется опытным путем (при отсутствии опытных данных принимается =5 м).

4.18. При наличии подземных вод нижняя граница зоны набухания принимается на 3 м выше начального уровня подземных вод, но не ниже установленного указаниями п. 4.17а (22 прил. 2).

Пример. Расчет подъема фундамента размером 1´1 м под центральную колонну каркасного здания размером в плане 12´24 м.

Давление по подошве квадратного фундамента равно 0,2 МПа, а глуби­на его заложения d=l м. Основанием фундаментов служат набухающие глины, залегающие слоем толщиной 15 м от поверхно­сти и подстилаемые пылеватыми песками. Удельный вес глин равен 20 кН/м³, а давление набухания по лабораторным испытаниям =0,35МПа.

В процессе эксплуатации возможно увлажнение водой в пределах всего здания. При этом отношение сторон замачиваемой площади ==24/12=2.

Разбиваем основание ниже подошвы фундамента на 11 слоев грунта толщиной 1 м и определяем суммарное напряжение, действующее в середине каждого слоя при набухании грунта. Для первого слоя, примыкающего к подошве фундамента, вычислим значение коэффициента .Середина этого слоя расположена на глубине =0,5+l=l,5 м. Тогда при =l,5/12=0,12значение =0. Для этого слоя напряжение от фундаме­нта равно: =200·0,7=140 кПа, а =10 кПа.

В табл. 97 приведены величины, используемые при определении , а также коэффициент условий работы , находимый для каждого слоя грунта по указаниям п. 4.15(20 прил. 2).

Таблица 97

Средняя глубина рассматри­ваемого слоя z, м		kg	szp= =ap0, кПа	szg, кПа	szad, кПа	sz,tat, кПа	ksw
0,5	0,12				-		0,72
1,5	0,21				-		0,82
2,5	0,29				-		0,80
3,5	0,37				-		0,79
4,5	0,46				-		0,78
5,5	0,54	0,04					0,75
6,5	0,63	0,13					0,72
7,5	0,71	0,21	-				0,69
8,5	0,79	0,29	-				0,66
9,5	0,88	0,38	-				0,62
10,5	0,96	0,46	-				0,59

На глубине 11,5 м от подошвы фундамента суммарное давление примерно равно давлению набухания грунта данного состояния. Поэтому то­лщину зоны набухания принимаем равной 11 м от подошвы фундамента.

Для определения зависимости были испытаны в компрессионных приборах 6 образцов (с четырехкратной повторностью). Эти образцы замачивались под давлением 7 (вес штампа прибора); 50; 100; 200; 300; 400 кПа.

Значения относительного набухания для характерных давлении приведены в табл. 98.

Таблица 98

p, кПа
esw, %	3,2		2,4		1,8	1,7	1,3		0,7

Величину подъема фундамента определим по формуле (179) = 100(l,8·0,72+3·0,82+3,2·0.8+3·0,79+2,4·0,78+2·0,75+l,81·0,72+1,7·0,69+1,3·0,66+ +1·0,62+0,7·0,59)0,01=16,4 см, где 0,01 - коэффициент, учитывающий переход величины от процентов к доле единицы.

Пример. Расчет подъема ленточного фундамента под внутреннюю несущую стену здания при экранировании поверхности набухающего грунта.

Здание имеет размер в плане 12´24 м. Ширина, подошвы ленточного фундамента 1,5 м, давление по подошве 0,15 МПа; глубина заложения d=l,5 м.

Основанием служат хвалынские набухающие глины, залегающие слоем толщиной 4 м и подстилаемые пылеватыми песками. Покровные отложения представлены суглинками с удельным весом 18 кН/м³. Удельный вес хвалынских набухающих глин равен 18 кН/м³, удельный вес частиц 27 кН/м³, а коэффициент пористости 0,83. Уровень грунтовых вод находится на глубине =10 М от подошвы ленточного фундамента.

За счет экранирования поверхности увеличение влажности грунта воз­можно в пределах всего .здания и тем самым отношение сторон зоны увеличения влажности равно: L/B=24/12=2, а значение коэффициента в пределах зоны увеличения влажности ( м) в соответствии с табл. 96 равно нулю, так как при =4 и =(4+1,5)/12<0,5.

Разбиваем основание ниже подошвы фундамента на слои толщиной 0,5 м и определяем суммарные напряжения, действующие в середине каждого слоя при набухании грунта за счет экранирования поверхности.

Для определения значений равновесной влажности слоя для задан­ных значении уровня подземных вод и суммарного давления необходимо располагать зависимостью .Для хвалынских глин эта зависимость по экспериментальным данным аппроксимируется в виде:

при ;

при ;

Для удобства эти зависимости следует представить графически в координатах .

Таблица 99

Средняя глубина рассматриваемого слоя z4, м	szq, кПа	szp, кПа	sz,tot, кПа	2stoti/vi, см	A=z+ +2stoti/ v	pi/gw	lg (pi/gw)	weq	w0	Dw	ksw
0,25							3,32	0,309	0,206	0,103	0,69
0,75							3,29	0,311	0,278	0,033	0,70
1,25							3,25	0,314	0,290	0,024	0,72
1,75							3,22	0,315	0,288	0,027	0,73
2,25							3,21	0,316	0,310	0,006	0,74
2,75							3,19	0,317	0,300	0,017	0,74
3,25							3,18	0,3175	0,305	0,0125	0,75
3,75							3,18	0,3175	0,307	0,0105	0,75

В табл. 99 приведены величины, используемые при определении .

Величину подъема ленточного фундамента определяем по формуле (179) (18 прил. 2), в которой значения принимаются по формуле (181) (20 прил. 2). Тогда для .приведенных в табл. 99 значений , найденных для восьми слоев грунта общей толщиной H=4 м, и при постоянных значениях коэффициента пористости =0,83 и =0,50м получим:

=[2/(1+0,83)]50(0,103·0,69+0,033·0,7+0,024·0,72+0,027·0,73+0,006·0,74+ +0,017·0,74+0,0125·0,75+0,0105·0,75)=9 см.

Пример. Расчет подъема поверхности при сезонных изменениях влажности набухающего грунта.

Амплитуда сезонных перемещений поверхности набухающего грунта вследствие сезонного изменения его влажности с до может определяться по формуле (179) (18 прил. 2), в которой за значения относительного набухания с использованием формулы (181) (20 прил. 2) принимается

где - средние значения изменения влажности, вычисляемые по двух соседних слоев.

Определим амплитуду перемещений поверхности при изменениях вла­жности до глубины H=3 м от периода максимального увлажнения с до периода подсыхания , приведенных для шести слоев грунта в табл. 100.

Таблица 100

Средняя глубина рассматриваемого слоя z, м	wmax	wmin	Dw	Dwa
0,25	0,245	0,204	+0,141
0,75	0,302	0,211	+0,091	+0,116
1,25	0,236	0,225	+0,011	+0,051
1,75	0,210	0,201		+0,0055
2,25	0,261	0,282	-0,021	-0,0105
2,75	0,272	0,273	-0,001	-0,011

Поскольку <5 кПа, то =0,8 для всех слоев. Толщина слоев = =0,5 м. Коэффициент пористости =0,83. Тогда =(2/1,83)0,8·50(0,116+ +0,051+0,055-0,0105-0,011)=3,4 см.

4.19(23 прил. 2). Осадка основания в результате высыхания набухающего грунта определяется по формуле

(185(23 прил. 2))

где - относительная линейная усадка грунта i-го слоя, определяемая по указаниям п. 4.20(24 прил. 2);

- толщина i-го слоя грунта;

- коэффициент, принимаемый равным 1,3;

n - число слоев, на которое разбита зона усадки грунта, принимаемая в соответствии с указаниями п. 4.21(25 прил. 2).

4.20(24 прил. 2). Относительная линейная усадка грунта при его высыхании определяется по формуле

(186(24 прил. 2))

где - высота образца грунта возможной наибольшей влажности при об­жатии его суммарным вертикальным напряжением без возможно­сти бокового расширения;

- высота образца в тех же условиях после уменьшения влажности в результате высыхания.

4.21(25 прил. 2). Нижняя граница зоны усадки определяется экспериментальным путем, а при отсутствии опытных данных принимается равной 5 м.

При высыхании грунта в результате теплового воздействия технологических установок нижняя граница зоны усадки определяется опытным путем или соответствующим расчетом.

4.22. Допускается принимать , определяемое без нагрузки, при этом =1,2.

Пример. Расчет осадки фундамента за счет усадки грунта под действием климатических факторов. Фундамент имеет размер 1´1 м и глубину за­ложения 2 м. Давление по подошве фундамента 0,2 МПа. Основанием слу­жат глины, залегающие слоем толщиной 8 м от поверхности. Удельный вес грунта равен 20 кН/м³. Нижняя граница зоны усадки расположена на глубине 5 м.

Разбиваем массив грунта ниже подошвы фундамента на три слоя толщиной 1 м. В середине первого слоя давление от фундамента составляет =140кПа. Давление от собственного веса грунта составляет 10 кПа. Об­щее давление в середине первого слоя равно 150 кПа. Во втором слое общее давление равно 66 кПа, а в третьем - 64 кПа.

Величины относительной усадки при этих давлениях соответственно равны 0,04; 0,02; 0,015.

=100·1,3(0,04+0,02+0,015)=9,8 см.

4.23(4.6). При расчетных деформациях основания, сложенного набуха­ющими грунтами, больше предельных или недостаточной несущей спосо­бности основания, должны предусматриваться следующие мероприятия в соответствии с указаниями пп. 2.291-2.295 (2.67-2.71):

водозащитные мероприятия;

предварительное замачивание основания в пределах всей или части то­лщи набухающих грунтов;

применение компенсирующих песчаных подушек;

полная или частичная замена слоя набухающего грунта ненабухающим;

полная или частичная прорезка фундаментами слоя набухающего гру­нта.

4.24. При проектировании оснований и фундаментов зданий и сооружений, в том числе оснований под отдельные установки или оборудование, возводимых на набухающих грунтах, следует исходить из расчетной величины деформации (подъема), возможной при случайном, наиболее неблагоприятном замачивании грунта.

4.25. Для устранения свойств набухания способом предварительного замачивания отрывается котлован (или траншея) на глубину 0,1-0,3 м выше проектной отметки заложения подошвы фундамента. В котловане в шахматном порядке на расстоянии 2-4 м пробуриваются скважины диаметром 100-250 мм (глубиной на 0,5 м меньше, чем требуемая по проекту толщина слоя, подвергаемого замачиванию). Скважины заполняются на всю высоту гравием, щебнем или песчано-гравийной смесью. В пределах котлована по двум взаимно перпендикулярным направлениям устраиваются поверхностные марки через 3-5 м одна от другой. До начала замачивания определяют влажность грунта по глубине через 0,5-0,7 м не менее, чем по шести образцам с каждой глубины.

В процессе замачивания через 7-10 дней производят нивелирование марок. Замачивание прекращают, когда величина подъема поверхности составит 0,8 расчетной.

4.26. Глубина предварительного замачивания, толщина частично заме­няемого слоя набухающего грунта или глубина частичной его прорезки назначаются в зависимости от требуемого снижения деформаций от набухания.

4.27. При возведении фундаментов на предварительно замоченном ос­новании из набухающих грунтов следует предусматривать устройство подушек из песка, щебня или гравия либо упрочнение верхнего слоя грунта связующими материалами (например, известью).

При расчете оснований из набухающих грунтов после их предварите­льного замачивания используются характеристики грунта в замоченном состоянии.

4.28. Компенсирующие песчаные подушки устраиваются на кровле или в пределах слоя набухающих грунтов при давлении, передаваемом на основание, не менее 0,1 МПа.

Для устройства подушек применяются пески любой крупности, за иск­лючением пылеватых, уплотняемые до плотности скелета не менее 1,6 т/м³.

Компенсирующие песчаные подушки устраиваются только под ленто­чные фундаменты, когда их ширина не превышает 1,2 м. Размеры подушки назначаются по табл. 101.

Таблица 101

Ширина фундамента b, м	Ширина подушки B, м	Высота подушки h, м
0,5 £ b £ 0,7	2,4 b	1,2 b
0,7 < b £ 1	2 b	1,15 b
1 < b £ 1,2	1,8 b	1,1 b

4.29. Уменьшение величины подъема фундамента на естественном ос­новании из набухающих грунтов может обеспечиваться путем анкеровки фундамента с помощью свай, частично или полностью прорезающих набухающий слой. При этом нагрузка, передаваемая сооружением, воспринимается фундаментом и сваями. В этом случае должна обеспечиваться совместная работа системы фундамент-свая, а предельные деформации (осадки, подъемы) этой конструкции не должны превышать предельных значений.

4.30. Водозащитные мероприятия служат для предотвращения локального замачивания грунтов основания атмосферными или производственными водами. С этой целью предусматривается планировка территории, обеспечивающая надежный сток атмосферных вод в открытую или закрытую ливнесточную канализацию. Отвод вод с кровли здания должен быть организованным. Необходимо предусматривать отмостки такой ширины, чтобы они перекрывали не менее чем на 0,4 м пазухи засыпанных котлованов. Отмостки должны иметь уклон не менее 3°. Вода с отмостки отводится в специальные кюветы и далее в ливнесточную сеть. Вводы и выпуски водонесущих трубопроводов (канализация, водопровод и т.д.) выполня­ются в виде железобетонных лотков, соединяемых со смотровыми и конт­рольными колодцами. Внутри зданий стояки соединяются с водоводами в специальных приямках. Внутренние трубопроводы должны быть доступны для осмотра. В сооружениях, несущих воду (градирни, отстойники и т.д.), целесообразно предусматривать пластовый дренаж с выпуском воды из него в ливневую канализацию.

4.31.К числу конструктивных мероприятий относится увеличение жесткости и прочности путем разбивки здания на отдельные отсеки осадочными швами. Отсек должен иметь правильную геометрическую форму в плане и одинаковую высоту. Увеличение прочности достигается введением железобетонных непрерывных поясов толщиной не менее 15см, устра­иваемых по высоте в нескольких уровнях. Пояса следует армировать каркасами, располагаемыми на уровне перекрытий или верха проема и полностью перекрывающими наружные стены. Пояса предусматривают при: частичной прорезке набухающих грунтов; частичной замене набухающего грунта ненабухающим; устройстве компенсирующих подушек; предва­рительном замачивании набухающих грунтов.

4.32. Замена набухающего грунта производится местным ненабухающим грунтом, уплотняемым до заданной плотности. Строительство зданий в этом случае должно выполняться как на обычных ненабухающих грунтах.

4.33.Допускается использовать набухающие грунты для обратной засыпки пазух и траншей при условии, что горизонтальное давление, выз­ванное их увлажнением, окажется допустимым для данного сооружения, а возможная величина подъема грунта засыпки не приведет к ухудшению условий эксплуатации. Уплотнение грунтов производится в соответствии с требованиями и методами, принятыми для устройства грунтовых подушек и обратных засыпок обычных грунтов.