Глава. 11. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ НА СИЛЬНОСЖИМАЕМЫХ И НАСЫПНЫХ ГРУНТАХ
11.1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ НА СИЛЬНОСЖИМАЕМЫХ ГРУНТАХ
11.1.1. Общие положения
К сильносжимаемым грунтам относятся водонасыщенные супеси (е > 0,7), суглинки (е > 1,0), глины (е > 1,1), илы (морские и пресноводные), ленточные глины (тонкослоистые), водонасыщенные лёссовые грунты, заторфованные грунты, торфы (открытые и погребенные), сапропеля (органические илы), рыхлые пески, водонасыщенные пылеватые намывные грунты. Характерными признаками большинства этих грунтов являются: высокая степень влажности Sr ≥ 0,80 и большая сжимаемость E ≤ 5 МПа в интервале давлений, свойственных для фундаментов гражданских и промышленных зданий и сооружений. Кроме того, для них характерны медленное протекание осадок во времени, изменчивость и анизотропия прочностных, деформационных, фильтрационных и реологических характеристик.
ТАБЛИЦА 11.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАТОРФОВАННЫХ ГРУНТОВ ПО ОТНОСИТЕЛЬНОМУ СОДЕРЖАНИЮ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА
| Грунты | Относительное содержание органического вещества Iот |
|
Слабозаторфованный Среднезаторфованный Сильнозаторфованный |
0,1 < Iот ≤ 0,25 0,25 < Iот ≤ 0,4 0,4 < Iот ≤ 0,6 |
Большинство перечисленных сильносжимаемых грунтов обладает значительной тиксотропностью, вызывающей временное разжижение их в период динамического воздействия. Заторфованные песчаные и глинистые грунты подразделяются по относительному содержанию органического вещества (степени заторфованности) Iот (табл. 11.1), а торфы — по степеням разложения Dpd (табл. 11.2) и зольности Dc (табл. 11.3).
При содержании органического вещества более 50 % грунты относятся к торфам.
ТАБЛИЦА 11.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ТОРФОВ ПО СТЕПЕНИ РАЗЛОЖЕНИЯ
| Торфы | Степень разложения, % |
|
Слаборазложившиеся Среднеразложившиеся Сильноразложившиеся |
Dpd ≤ 20 20 ≤ Dpd ≤ 45 Dpd > 45 |
ТАБЛИЦА 11.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ТОРФОВ ПО СТЕПЕНИ ЗОЛЬНОСТИ
| Торфы | Степень зольности, % |
|
Нормальнозольные Высокозольные |
Dc < 20 Dc ≥ 20 |
ТАБЛИЦА 11.4. ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ИЛОВ
| Ил |
Коэффициент пористости е |
Модуль деформации Е, МПа |
| Супесчаный |
0,8 1,2 |
0,50 0,35 |
| Суглинистый |
0,9 1,6 |
0,19 0,12 |
| Глинистый |
1,2 2,0 |
0,16 0,08 |
ТАБЛИЦА 11.5. ХАРАКТЕРИСТИКА ТОНКОСЛОИСТЫХ ЛЕНТОЧНЫХ ГЛИН
| Параметр | Численное значение |
| Плотность частиц грунта ρs, гр/см3 | 2,5—2,6 |
| Плотность грунта в сухом состоянии ρd, г/см3 | 1,7—1,8 |
| Влажность ω | 0,4—0,5 |
| Коэффициент пористости е | 1,0—1,5 |
| Угол внутреннего трения φ, град | 16—18 |
| Удельное сцепление с, МПа | 0,01—0,03 |
| Модуль деформации Е, МПа | 5—13 |
Для предварительных расчетов и оценки возможности использования сильносжимаемого грунта в качестве основания используются характеристики, приведенные в табл. 11.4—11.9.
11.1.2. Проектирование предпостроечного уплотнения оснований, сложенных водонасыщенными сильносжимаемыми грунтами
В большинстве, случаев такие грунты не могут использоваться в качестве основания без предварительного повышения их прочностных и деформационных свойств. Эффективным мероприятием является уплотнение их фильтрующей пригрузкой с применением в ряде случаев вертикальных песчаных или заводских дрен (бумажных, комбинированных и т.п.) (рис. 11.1). Предпостроечное уплотнение оснований особенно рационально при возведении сооружений, имеющих развитую площадь опирания на грунт (резервуары, сооружения на сплошной плите и т.п.), может быть рекомендовано в случаях, когда толщина слоев водонасыщенных сильносжимаемых грунтов превышает 3 м.
ТАБЛИЦА 11.6. ПРОЧНОСТНЫЕ И ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ С ПРИМЕСЬЮ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОСТАТКОВ И ЗАТОРФОВАННЫХ ГРУНТОВ
| Показатель текучести IL | Характеристика грунтов | Нормативные значения характеристик грунтов с Iот | |||||||
| 0,05—0,1 | 0,1—0,25 | ||||||||
| при коэффициенте пористости е | |||||||||
| 0,65 | 0,75 | 0,85 | 0,95 | 1,05 | 1,15 | 1,25 | 1,35 | ||
| 0 < IL ≤ 0,25 |
E, МПа φ, град с, МПа |
135 21 0,029 |
12 21 0,033 |
11 20 0,037 |
10 16 0,045 |
8,5 15 0,048 |
8 – – |
7 – – |
5,5 – – |
| 0,25 < IL ≤ 0,5 |
E, МПа φ, град с, МПа |
11 21 0,021 |
10 21 0,022 |
8,5 20 0,024 |
7,5 17 0,031 |
7 17 0,033 |
6 16 0,036 |
5,5 15 0,039 |
5 13 0,042 |
| 0,5 < IL ≤ 0,75 |
E, МПа φ, град с, МПа |
8,5 21 0,018 |
7 21 0,019 |
6,5 21 0,019 |
5,5 18 0,021 |
5 18 0,023 |
5 17 0,024 |
4,5 16 0,026 |
4 15 0,028 |
| 0,75 < IL ≤ 1 |
E, МПа φ, град с, МПа |
6 – – |
5 – – |
4,5 – – |
4,2 18 0,015 |
3 18 0,016 |
3 18 0,017 |
3 17 0,018 |
– – – |
ТАБЛИЦА 11.7. НОРМАТИВНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК САПРОПЕЛЕЙ (ПО ДАННЫМ И.Е. ЕВГЕНЬЕВА, В.Е. СЕСЬКОВА, В.Н. ЯРОМКО)
| Грунты | Вид сапропелей | Разновидность | Содержание веществ, % | Влажность ω | Плотность час грунта ρ, г/с | Коэффициент пористости е | Модуль деформации Е, МПа (р = 0,05, МПа) | Сопротивление вращательному срезу τ, кПа (при γ = 0) | |
| органических Iот | карбонатных СаСО3 | ||||||||
| Неуплотненные в природном залегании (озерные под слоем воды) | Минеральные | Известковистые | 10—30 | > 30 | 2—4,5 | 2,3—2,0 | 5—9 | 0,5—0,25 | 6—4 |
| Кремнеземистые | 10—30 | < 30 | 1,5—3 | 2,5—2 | 9—12 | 0,6—0,3 | 5—4 | ||
| Среднеминеральные | Известковистые | 30—50 | > 30 | 4,5—6 | 2,0—1,8 | 9—12 | 0,25—0,1 | 3—2 | |
| Кремнеземистые | 30—50 | < 30 | 3—6 | 2,0—1,8 | 9—12 | 0,3—0,15 | 4—3 | ||
| Слабоминеральные | Детритовые | > 50 | < 30 | 6—20 | 1,8—1,4 | 12—25 | 0,1—0,03 | 3 | |
| То же (болотные под слоем торфа) | Минеральные | Известковистые | 10—30 | >30 | 1,5—3 | 2,3—2,0 | 4—9 | 0,6—0,4 | 18—12 |
| Кремнеземистые | 10—30 | < 30 | 1,2—3,7 | 2,5—2,3 | 9—12 | 0,8—0,5 | 13—10 | ||
| Среднеминеральные | Известковистые | 30—50 | > 30 | 3—6 | 2—1,8 | 9—12 | 0,4—0,25 | 12—8 | |
| Кремнеземистые | 30—50 | < 30 | 3,7—6 | 2,3—1,8 | 8—12 | 0,5—0,3 | 13—7 | ||
| Слабоминеральные | Торфосапропели | > 80 | < 10 | 9—12 | 1,6—1,4 | 16—20 | 0,25—0,1 | 13—12 | |
| Детритовые | 50—80 | < 30 | 6—9 | 1,8—1,6 | 12—16 | 0,25—0,1 | 13—20 | ||
| Уплотненные в природном залегании (озерно-болотные под слоем минеральных наносов) | Минеральные | Известковистые | 10—30 | 30 | 0,8—1,82 | 2,3—2 | 1,7—3,7 | 1,2—0,7 | 25—16 |
| Кремнеземистые | 10—30 | 30 | 0,5—1,5 | 2,5—2 | 1,4—3 | 2—1 | 30—20 | ||
| Среднеминеральные | Известковистые | 30—50 | > 30 | 1,8—2,5 | 2—1,8 | 3,7—5 | 0,7—0,4 | 20—10 | |
| Кремнеземистые | 30—50 | < 30 | 1,5—2 | 1,5—1,8 | 3—4 | 1—0,4 | 20—10 | ||
| Слабоминеральные | Детритовые | > 50 | < 30 | 1,5—3 | 1,8—1,4 | 4—6 | 0,5—0,3 | 20—0 | |
Длина дрен в этом случае устанавливается на основе данных инженерно-геологических изысканий. Предпостроечное уплотнение грунтов с использованием вертикальных дрен может быть использовано при инженерной подготовке территории с целью обеспечения надежной эксплуатации инженерных коммуникаций и дорожных покрытий, а также для уменьшения воздействия сил отрицательного трения на свайные фундаменты и другие заглубленные в грунт сооружения.
ТАБЛИЦА 11.8. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОТКРЫТЫХ ТОРФОВ
| Характеристика торфов | Нормативные значения физико-механических характеристик открытого торфа | ||||||
| верхового | низинного | ||||||
| при степени разложения Dpd, % | |||||||
| 5—20 | 20—30 | 30—40 | 40 | 5—25 | 25—40 | 40 | |
|
Влажность при полной влагоемкости ωsat Плотность частиц грунта ρs, г/см3 Модуль деформации при полной влагоемкости E0, МПа Коэффициент бокового давления ξ Коэффициент консолидации сv, м2/год |
14,5 1,62 0,11 0,12 10,0 |
12,5 1,56 0,15 0,19 5,0 |
11,8 1,49 0,23 0,28 2,0 |
10,0 1,40 0,25 0,35 1,0 |
11,5 1,58 0,15 0,22 5,0 |
7,5 1,51 0,24 0,43 2,0 |
5,8 1,50 0,31 0,50 1,0 |
ТАБЛИЦА 11.9. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОГРЕБЕННЫХ ТОРФОВ
| Характеристика торфов | Нормативные значения физико-механических характеристик погребенных торфов при степени его разложения Dpd, % | ||
| 20—30 | 31—40 | 41—60 | |
| Природная влажность ω | 3 | 2,2 | 1,7 |
| Плотность грунта ρ, г/см3 | 1 | 1,05 | 1,2 |
| Плотность частиц грунта ρs, г/см3 | 1,50 | 1,6 | 1,8 |
| Коэффициент пористости e | 5,5 | 4 | 3 |
| Модуль деформации Е, МПа | 1,1 | 2 | 3 |
| Угол внутреннего трения φ, град | 22 | 12 | 10 |
| Удельное сцепление с, МПа | 0,02 | 0,025 | 0,03 |
| Коэффициент бокового давления ξ | 0,24 | 0,28 | 0,32 |
Кроме общепринятых исследований грунтов должны быть дополнительно проведены испытания по определению следующих физико-механических свойств каждого практически однородного слоя грунта: модуля деформации сильносжимаемого грунта при отсутствии бокового расширения Е0; коэффициентов пористости грунта при полной влагоемкости е1 и минимальной влажности e2, коэффициенты консолидации сv и ch при фильтрации поровой воды в вертикальном и горизонтальном направлениях.
В целях уточнения границ расположения слоев сильносжимаемого грунта рекомендуется применять статическое зондирование. Для уточнения изменений сопротивлений грунта сдвигу до и после уплотнения целесообразно использовать лопастный прибор.
Проектирование предпостроечного уплотнения производится на стадии технического проекта по данным первичных инженерно-геологических изысканий. Целесообразность предпостроечного уплотнения устанавливается на основе вариантного проектирования. В проекте предпостроечного уплотнения грунтов основания должны быть указаны: временная нагрузка на основание, превышающая на 10 % среднее давление под подошвой фундамента возводимого сооружения (с целью ускорения сроков консолидации временная нагрузка может значительно превышать эксплуатационную); форма и размеры временной пригрузочной насыпи с обеспечением устойчивости ее откосов на сильносжимаемых грунтах в нестабилизированном состоянии; план расположения вертикальных дрен, их сечение и шаг, места установки глубинных марок (шаг и сечение дрен устанавливаются расчетом из условия 90 %-ной консолидации основания); литологические разрезы по уплотняемому основанию с нанесенными на них дренами и глубинными марками; расчетная конечная осадка основания от временной пригрузки и величина упругого подъема основания после ее снятия (определяется по ветви разгрузки компрессионной кривой); схема производства работ по устройству временной пригрузки, погружению дрен и снятию пригрузки.
В плане дрены располагаются в вершинах квадратов или равносторонних треугольников. Шаг песчаных дрен 1,5—3 м, заводских дрен 0,8—1,4 м.