НОВОСИБИРСКИЙ АРХИТЕКТУРНО - СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ( СИБСТРИН ) Выполнила : студентка 501 гр. Якупова Е. В Проверил : Молчанов В. С. Новосибирск, 2014

План : 1) Дать понятие структурно - неустойчивых грунтов ; 2) Виды и особенности структурно - неустойчивых грунтов ; 3) Особенности строительства на структурно - неустойчивых грунтах ; 4) Список литературы

Структурно неустойчивые грунты ( слабые грунты ) – это грунты, у которых при наличии внешних воздействий ( например, вода, мороз, оттаивание ) достаточно резко нарушается природная структура. К ним относятся следующие грунты : лёссовые : рыхлые пески ; илы ; мёрзлые и вечномёрзлые ; набухающие ; заторфованные.

Лёсс – пылеватая горная порода с содержанием пылеватой фракции 30%-50%. Содержание глинистой фракции 5%-30%, кварц и силикаты 30%-90%, карбонат кальция 6%-8%. Для лессов характерно наличие вертикальных каналов. Лесс склонен образовывать столбчатые отдельности и удерживать вертикальные стенки. В лессовых грунтах находятся погребенные почвы, считается, что они образовались в периоды отепления между великими обледенениями. Толщи лессовых горных пород способны выдерживать огромную нагрузку, при увлажнении они обнаруживают провальную просадку. Лёссовые грунты занимают практически 17 % территории России.

Генезис лёссовых грунтов весьма разнообразен. Во многих случаях они образовались в результате переноса ветром мелких частиц грунта и отложения их в степных районах, поэтому состоят преимущественно из пылеватых частиц с небольшим содержанием глинистых частиц. По гранулометрическому составу и числу пластичности лёссовые грунты являются супесями и суглинками.

По мере замачивания загруженного лёссового грунта наблюдается резкое уменьшение его объема, что приводит к просадке дневной поверхности и возведенных сооружений. Просадкой называют быстро развивающуюся осадку, вызванную резкими изменениями структуры грунта. При увлажнении лёссового грунта происходят следующие явления : размягчаются и частично растворяются жесткие кристаллизационные связи, развивается расклинивающее действие пленочной воды, снижается прочность водно - коллоидных связей между частицами. Просадочность грунта оценивают относительной просадочностью ε st, которую можно определить по данным компрессионных испытаний с подачей ( при различных давлениях ) воды в одометр. В результате таких испытаний строят график зависимости высоты образца от давления и характера деформации при замачивании, а затем находят относительную просадочность при данном давлении : где h n· р высота образца грунта природной влажности при давлении, ожи ­ даемом на данной глубине после возведения сооружения ; h sat· р высота образца после просадки от замачивания ; h n·g высота образца при при ­ родном давлении р 1 = σ z,g, на данной глубине z.

Рис. 1. Графики деформации лёссового грунта при замачивании а изменение объема ( компрессионная кривая ); б изменение коэффициента относительной просадочности.

Рис. 2. Просадка поверхности лёссового грунта при замачивании 1 поверхность грунта после замачивания ; 2 то же, до замачивания ; 3 подсыпка песка ; 4 замоченный грунт ; 5 не просадочный грунт

Набухающие глинистые грунты характеризуются следующими параметрами : давлением набухания P s ω ; влажностью набухания ω s ω ; относительным набуханием при заданном давлении ε s ω ; относительной усадкой при высыхании ε sh. Эти характеристики определяются в лабораторных условиях согласно ГОСТ Давлением набухания P s ω грунта называют то минимальное давление, при котором грунт не набухает. За влажность набухания ω s ω принимается влажность, полученная после завершения набухания образца, обжатого без возможности бокового расширения заданным давлением Р. С увеличением плотности грунта влажность набухания уменьшается. Набухаемость грунтов оценивают коэффициентом относительного набухания ε s ω, который находят испытанием грунта в одометре. Затем в одометр подают воду. В результате чего происходит набухание образца грунта, т. е. поршень одометра будет перемещаться вверх. По данным испытания можно построить кривую ( рис.3).

Рис. 3. Зависимости деформаций набухающего грунта ( а ) и относительного набухания ( б ) от нормального давления

При экранировании поверхности и изменении водно - теплового режима относительное набухание находят по формуле : где k коэффициент, определяемый опытным путем, а при отсутствии экспериментальных данных принимается равным 2; ω eg конечная ( установившаяся ) влажность грунта ; ω 0 начальная влажность грунта ; ε 0 начальное значение коэффициента пористости грунта. Значения относительного набухания зависят от плотности и начальной влажности грунта. С увеличением начальной влажности образца грунта набухание снижается тем быстрее, чем больше ω о.

К засоленным грунтам относятся песчано - глинистые отложения, в которых накопление солей произошло в процессе их формирования. При оценке грунтов важно знать содержание в них водорастворимых солей. При замачивании засоленных грунтов наблюдаются : появление суффозионной осадки при длительной фильтрации ; набухание или просадка грунта ; снижение прочностных характеристик грунта ; повышение агрессивности подземных вод.

Причинами, приводящими к засолению грунтов, являются : бессточный рельеф ; недостаточное увлажнение в результате преобладания испарения над осадками ; наличие в грунтах или грунтовых водах повышенного количества солей ; малая проницаемость грунтов или наличие водоупорных прослоек ; несовершенство систем орошения ; техногенное воздействие на гидросферу застроенных или застраиваемых территорий ; фильтрация через грунты растворов химических веществ производственных отходов из накопителей, шламонакопителей, отвалов.

Засоленные глинистые грунты характеризуются относительным суффозионным сжатием ε sƒ и начальным давлением суффозионного сжатия P sƒ. Величина относительного суффозионного сжатия должна определяться, как правило, по данным испытаний засоленных фунтов с длительным замачиванием. Значение ε sƒ при компрессионно - фильтрационных испытаниях определяется по формуле где h sat,p высота образца после замачивания его до полного водонасыщения при некотором давлении Р ; h sƒ,p высота того же образца после длительной фильтрации воды и выщелачивания солей при давлении Р ; h g высота образца природной влажности при давлении от собственного веса. фунта на рассматриваемой глубине σ zg.

При полевых испытаниях засоленных грунтов статической нагрузкой с длительным замачиванием значение ε sƒ определяется по формуле где S sƒ,p суффозионная осадка штампа при давлении Р ; d p зона суффозионной осадки. За начальное давление суффозионного сжатия Р sƒ принимается давление, При котором ε sƒ = 0,01.

Маловлажные и сухие грунты при увлажнении резко изменяют свои деформационные, прочностные и фильтрационные свойства из - за выноса солей. В качестве примера на рис. 4 показано влияние изменения влажности засоленных грунтов и выщелачивания солей на модуль деформации. Рис. 4. Зависимость модуля общей деформации засоленных глинистых грунтов от влажности ( а ) и выщелачивания солей ( б )

Как видно из рис. 4, рассматриваемые грунты при естественной влажности ( ω = 0,08) и природном содержании солей (d 0 = 5,7%) имеют высокий модуль деформации. При увеличении влажности ( см. рис. 4, а ) или выщелачивании солей ( см. рис. 4, б ) снижение модуля деформации составляет 410 раз и более ( по СБ. Ухову и др., 1994). Выщелачивание водорастворимых соединений приводит к уменьшению плотности и устойчивости грунтов, а также к увеличению их водопроницаемости. Фильтрующая через грунт вода становится агрессивной по отношению к бетону, раствору и металлу.

Торфы и заторфованные грунты Торфы и заторфованные грунты представляют собой грунты органогенного происхождения, образовавшиеся в болотах в результате накопления и разложения растительных остатков в условиях затрудненного доступа воздуха. Специфическими особенностями заторфованных грунтов являются во - донасыщенность, большая сжимаемость, медленное протекание осадок во времени, анизотропия и изменчивость характеристик под нагрузкой. К заторфованным относятся песчаные и глинистые грунты, содержащие в своем составе 1050% ( по массе ) органических веществ. При содержании органических веществ 50% и более грунт называется торфом.

Поскольку биогенные слабые грунты ( сапропели, заторфованные и торфяные ) содержат значительное количество органического вещества J, % ( или J от, долях единицы ), то их разделяют по этой составляющей ( рис. 5). Как видно из рис. 5, влияние содержания органических веществ в грунте на изменение влажности существенно для нормально зольных торфов. Рис 5. Зависимость природной влажности от содержания органических веществ в слабых грунтах ( по Л. С. Амаряну, 1990)

На рис. 6 показаны изменения предельного сопротивления сдвигу т, определенные крыльчаткой в полевых условиях, в зависимости от J ( по Л. С. Амаряну, 1990). Как видно из рис. 6, при одинаковых значениях прочность сапропелей и торфов по величине отличается в 45 раз. Данные рис. 6 позволяют установить классификационные отличия между торфяными, заторфованными грунтами и сапропелями. Рис. 6. Зависимость сопротивления сдвигу слабых органоминеральных фунтов от содержания органических веществ

Мерзлые и вечномерзлые грунты Мерзлые и вечномерзлые грунты в зависимости от их температуры и длительности ее действия делят на не мерзлые ( талые ), мерзлые и вечно - мерзлые. Мерзлыми называются грунты с отрицательной температурой, в которых часть поровой воды находится в замерзшем состоянии ( в виде кристаллов льда ). Мерзлые грунты являются четырехкомпонентными системами, в которых кроме твердой, жидкой и газообразной фаз существует лед. Если не минерализованная вода замерзает при 0 ° С, то грунт при такой температуре замерзает только при наличии в них свободной не минерализованной воды, поскольку связанная вода в виде тонких пленок и минерализованная вода замерзает при более низкой температуре. Вечномерзлыми называют грунты, находящиеся в мерзлом состоянии в течение трех лет и более. Вечномерзлые грунты представляют собой ярко выраженные структурно - неустойчивые грунты, так как при их оттаивании происходят просадки в результате нарушения природной структуры. При промерзании оттаявшего грунта возможно его пучение.

Если наблюдать за образцом глинистого грунта ( по Б. И. Далматову, 1988), помещенного в морозильную камеру, то при изменении температуры полученная кривая будет иметь четыре участка ( рис. 7). Первый участок а b соответствует понижению температуры с переохлаждением поровой воды. Второй участок bc характеризует резкое повышение температуры грунта, что связано с кристаллизацией части воды в образце грунта до значения Т bƒ, соответствующего началу замерзания. Третий участок cd, параллельный оси времени t, характеризует резкий переход большей части воды в лед. На четвертом участке de происходит постепенное понижение температуры уже замерзшего фунта, т. е в этот период замерзает вода, не замерзшая при значении Т bƒ. В зависимости от вещественного состава и температурно - влажностны условий мерзлые фунты делятся на твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые.

Рис. 7. График процесса замерзания фунта во времени ( по Б. И. Далматову, 1988)

Мерзлые грунты характеризуются определенным строением, т. е. размером, формой, характером пространственного взаиморасположения составных частей. Для мерзлых грунтов различают следующие основные текстуры : слитную, слоистую и ячеистую. Рис. 8 Основные виды текстуры мерзлых грунтов : а слитная ( массивная ); б слоистая ; в ячеистая ( сетчатая ) Из механических свойств мерзлых грунтов наибольшее значение имеют величина относительного сжатия ε th при переходе мерзлого грунта в талое состояние и сопротивление сжатию ( σ сж ). Относительное сжатие определяют путем испытания грунта в компрессионном приборе и рассматривают по формуле где h ƒ и h th высота образца, находящегося в мерзлом и талом состояниях при неизменном давлении.

Структурно - неустойчивые грунты часто называют региональными, т. к. эти грунты группируются преимущественно в определенных географо - климатических зонах ( регионах ). При строительстве на таких грунтах кроме общепринятых для обычных условий решений требуется проведение комплекса специальных мероприятий, учитывающих их особые свойства. Эти мероприятия разделяются на четыре группы : 1 группа : меры, предпринимаемые для исключения неблагоприятных воздействий на грунты. 2 группа : способы искусственного улучшения структурных свойств оснований, с помощью которых нейтрализуются последствия воздействия неблагоприятных факторов. 3 группа : конструктивные мероприятия, понижающие чувствительность зданий к неравномерным деформациям основания. 4 группа : применение специальных типов фундаментов.

Принципы строительства на вечномерзлых грунтах Существует два принципа строительства на вечномерзлых грунтах : I принцип – вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраненном в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения. I принцип применяется в тех случаях, когда расчетные деформации основания в предположении его оттаивания превышают предельное их не удается привести в нормальное состояние конструктивными мерами или улучшением строительных свойств основания. Принцип эффективен, когда грунты находятся в твердомерзлом состоянии и такое состояние может быть сохранено при экономически разумных затратах. II принцип – в качестве оснований знаний и сооружений используются предварительно оттаянные грунты или грунты, оттаивающие в период эксплуатации сооружения. II принцип рекомендуется применять при неглубоком расположении ( залегании ) скальных грунтов, а также при малосжимаемых мерзлых грунтах при оттаивании ( плотные крупнообломочные грунты и пески, пылевато - глинистые грунты твердой и полутвердой консистенции ).

При строительстве по I- му принципу для сохранения вечномерзлого состояния оснований используются различные методы ( рис.9) Рис.9 Мероприятия для сохранения вено мерзлого состояния грунтов : 1 – вечномерзлый грунт ; 2 – верхняя граница слоя вечномерзлого грунта ; 3 – деятельный слой ; 4 – насыпной непучинистый грунт ( пески средней крупности, крупные, крупнообломочные грунты, шлаки ) ; 5 – теплоизоляция ; 6 – вентилируемое подполье ; 7 – сваи ; 8 – неотапливаемый 1- ый этаж ; 9 – вентиляционные каналы ; 10 – замораживающие колонки ;

При использовании принципа II на вечномерзлых грунтах существуют два основных подхода. Предпостроечное оттаивание. Для повышения температуры грунта наиболее часто используют игловое гидро - или парооттаивание, или электрический прогрев с применением электроосмоса и иглофильтрового понижения, оттаивание может быть произведено как в пределах всей площади застройки, так и под отдельными фундаментами, если это обосновано расчетом по деформациям. Оттаивание грунтов в процессе эксплуотации сооружений должно применятся с большой осторожностью и подкрепляться тщательным прогнозом температурного режима деформаций оттаивающего основания.

Конструкции и методы устройства фундаментов, возводимых по принципу I. Наибольшее распространение получили свайные фундаменты, при условии специальных способов их устройства. Буроопускные сваи ( рис.10, а ) применяют во всех грунтовых условиях при температуре грунта - 0,5 С. Сначала в основании пробуривают скважины d на 5…10 см привышающий поперечный размер сваи. Затем скважины заполняют грунтовым раствором, после чего погружают в них сваи. После замерзания грунтового раствора свая оказывается в вечномерзлом грунте. Бурозабивные сваи ( рис.10, б ) устраивают забивкой свай в предварительно пробуренные лидерные скважины, имеющие d несколько меньший. Такие сваи эффективны в пластичномерзлых грунтах, не содержащих крупнообломочных включений. Опускные сваи ( рис.10, в ) изготавливают методом вмораживания и применяются в твердомерзлых грунтах. Суть метода заключается в том, что сначала производится локальное оттаивание грунта паровой иглой, а затем в оттаивший грунт погружается готовая свая. После промерзания грунта вокруг свая она оказывается вмороженой в грунт.

Рис. 10. Способы погружения свай в вечномерзлый грунт : 1 – свая ; 2 – верхняя граница вечномерзлого грунта ; 3 – грунтовый раствор ; 4 – стенка скважины ; 5 – граница оттаивания Сопряжение несущих конструкций со сваями обычно осуществляется с помощью высоких ростверков или специальных свайных оголовков. Иногда совмещают сваю со стойкой каркаса в одну конструкцию – сваю колонну.

Конструкция и методы устройства фундаментов, возводимых по принципу II, практически не отличаются от применяемых на немерзлых основаниях. Мероприятия по борьбе с морозным пучением. Для уменьшения касательных сил пучения фундаменты в пределах деятельного слоя покрывают незамерзающими обмазками на основе битума или эпоксидной смолы. Приемлемы и противопучинистые засыпки из сухого гравия, гальки, шлака или засоленной глины, имеющей пониженную температуру замерзания. Конструктивным мероприятием является заанкерирование фундаментов в вечномерзлый грунт, что достигается увеличением глубины заложения. При этом проверяется прочность фундамента на разрыв от действия сил пучения.

Фундаменты на лессовых и просадочных фундаментах В первую очередь при проектировании оснований и фундаментов зданий на просадочных грунтах учитывают возможность их умачивания и возникновения просадочных деформаций. Надежность и нормальная эксплуатация зданий достигается применением одного из следующих принципов : Осуществление комплекса мероприятий, включающего подготовку основания, ( в водозащитные и конструктивные мероприятия входят : компановка генплана ; планировка застраиваемых территорий ; устройство под зданиями маловодопроницаемых экранов ; качественная засыпка водонепроницаемых котлованов и траншей ; устройство вокруг зданий водонепроницаемых отмосток ; отвод аварийных вод за пределы зданий и в ливнесточную сеть.)

Конструктивные мероприятия объединяют в группы по составу и способам осуществления традиционных, для строительства, в особых грунтовых условиях. Для жестких зданий : разрезка зданий осадочными швами на отсеки ; устройство железо – бетонных поясов и армированных швов ; усиление фундаментно – подвальной части путем применения монолитных или сборно – монолитных фундаментов Для податливых и гибких зданий : мероприятия по дополнительному увеличению податливости ( введение гибких связей ; повышение площади опирания ); место, обеспечивающие нормальную эксплуатацию зданий при возможных, часто неравномерных просадок. Для этого применяют конструктивные решения, позволяющие в короткие сроки восстановить после неравномерных просадок нормальную эксплуатацию кранов, лифтов, оборудования, путем рихтовки подкрановых путей и направляющих лифтов, поднятия опор домкратом.

Улучшение строительных свойств просадочных грунтов достигается их уплотнением или закреплением, устройством грунтовых подушек. Эффективным способом является уплотнение тяжелыми трамбовками. Но следует помнить, что удары тяжелых трамбовок создают колебания в грунтовом массиве и учитывать при уплотнении грунта внутри существующих зданий. Устройство грунтовых подушек обеспечивает создание в основании фундаментов слоя непросадочного грунта. Двухслойное уплотнение путем сочетания поверхностного уплотнения тяжелой трамбовкой и устройства по верху уплотненного слоя грунта грунтовой подушки. Могут устраиваться и фундаменты в вытрамбованных котлованах, фундаментов в виде пирамидальных свай и забивных блоков. Применяются поверхностное уплотнение подводными взрывами. Уплотнение предварительным замачиванием ( на больших территориях вновь застраиваемых площадках ). Широко используют уплотнение оснований пробивкой скважин ( грунтовые сваи ) и глубинными взрывами. Для закрепления просадочных грунтов применяют методы однорастворной силикатизации или термообжига.

Фундаменты на набухающих грунтах Многие виды пылевато - глинистых грунтов твердой и полутвердой консистенций при замачивании водой ( и особенно, растворами серной кислоты ) увеличиваются в объеме. В процессе набухания происходит подъем поверхности грунта, что приводит к деформациям, обычно неравномерным. Кроме того, при набухании грунты способны оказывать дополнительное боковое давление на ограждающие конструкции ( до 200 к Па ), а при снижении влажности набухающие грунты дают усадку, уменьшая свой объем. Водозащитные мероприятия устраивают отмостки вокруг зданий шириной 2…3 м ; применяют водонепроницаемые экраны над всем сооружением из полимерных материалов, либо из асфальта ; заключают водопроводные и канализационные трубы в железобетонные лотки и т. п.

Улучшение свойств оснований При небольших толщах набухающих грунтов применяют предварительное замачивание и строительство ведется как на водонасыщенных ненабухающих грунтах ( материалом грунтовых подушек должна служить пылевато - глинистые набухающие грунты ). Компенсирующие подушки применяются для уменьшения неравномерности подъема фундаментов ( материал : любые, кроме пылевых, пески ). Принцип работы компенсирующей подушки состоит в следующем. Так как ширина песчанной подушки превышает ширину фундамента, при набухании грунта происходит выпирание песка между фундаментом и стенкой траншеи. Поэтому при подъеме дна такой траншеи песок вокруг фундамента поднимается, а сам фундамент остается практически неподвижным. Прорезка набухающих грунтов свайными фундаментами и глубокими опорами эффективна, если толща набухающих грунтов не превышает 12 м. Для избежания подъема, длина свай должна быть назначена таким образом, чтобы силы набухания, направленные вверх по боковой поверхности свай, были меньше, чем … нагрузок от сооружения и силы сопротивления по боковой поверхности в нижней части сваи, заглубленной в ненабухающие грунты. Для увеличения сил сопротивления в заделанной части сваи можно применять винтовые сваи или сваи с улучшенной пятой.

К конструктивным мероприятиям относится увеличение жесткости здания путем разбивки их на отдельные отсеки крупнопанельных зданий осадочными швами на отсеки длиной менее 30 м, армирование поясов, устраиваемых в нескольких уровнях по высоте. Рис. 11. Схема сил, действующих на компенсирующую подушку : 1 – фундамент ; 2 – обратная засыпка ; 3 – набухающий грунт ; 4 – песчаная компенсирующая подушка.

Список используемой литературы : 1. Бартоломей А. А. Механика грунтов : Учеб. издание / АСВ, Москва, 2004; 2. Далматов Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты. – М.: Стройиздат, 1988; 3. Цытович Н. А. Механика грунтов ( краткий курс ): Учебник для строит. вузов. – М.: Высш. шк., 1983;

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ !!!