Проектирование оснований и фундаментов

Расчет оснований сооружений на набухающих грунтах производится по деформациям, как на обычных грунтах, а при необходимости – и по несущей способности. По характеристикам грунта в природном состоянии определяется расчетное сопротивление основания R, по которому назначаются размеры фундаментов. При этом рекомендуется в расчете принимать повышение значения R в 1,2 раза, если осадка фундамента не будет превышать 0,4 допустимой для данного здания и сооружения. Кроме того, следует определять дополнительные деформации (подъемы или осадки фундаментов), возникающие в результате набухания или усадки грунта в основании сооружений.

Подъем фундаментов при набухании грунта в случае его замачивания определяется по формуле

h_sω = , (1.63)

где ε_sωi - относительное набухание i -го слоя, определяемое в зависимости от причин набухания; h_i - толщина рассматриваемого слоя грунта; k_sωi – коэффициент, принимаемый k_sω =0,8 при суммарном давлении σ_z.tot =0,05 МПа; k_sω =0,6 при σ_z.tot =0,3 МПа; k_sω =0,84-0,08 σ_z.tot / σ_o (где σ_o =0,1 МПа) при промежуточных значениях σ_z.tot.

Относительное набухание грунта ε_sω определяется по следующим формулам:

при инфильтрации и подъеме уровня подземных вод

ε_sω = (h_sat – h_n)/h_n; (1.64)

где h_n - высота образца заданной влажности и плотности, обжатого без возможности бокового расширения суммарным давлением; h_sat - высота того же образца после замачивания, обжатого в тех же условиях;

при экранировании поверхности и изменении водно-теплового режима

ε_sω = k(ω_eq – ω₀)/(1 + e₀), (1.65)

где k - коэффициент, определяемый опытным путем, а при отсутствии экспериментальных данных принимается равным 2; ω_eq - конечная влажность грунта; ω₀ - начальная влажность грунта; e₀ - начальное значение коэффициента пористости грунта.

Значение ω_eq слоя i при экранировании определяется по результатам экспериментальных исследований зависимости влажности набухания ω_sω от давления, вычисляемого по выражению

р_i = γ_ω(z – z_i + 2 σ_z.tot)/ γ_s, (1.66)

где γ_ω - удельный вес воды, кН/м³; z - расстояние от поверхности планировки до уровня подземных вод, см; z_i - глубина расположения середины рассматриваемого i -го слоя, м; σ_z.tot - суммарное давление в середине рассматриваемого слоя, МПа; γ_s - удельный вес минеральных частиц грунта, кН/м³.

При изменении водно-теплового режима влажность ω_eq принимается в период максимального увлажнения грунта основания, а влажность ω₀ - в период наибольшего высыхания грунта; коэффициент пористости е₀ принимается для влажности грунта в период наибольшего его высыхания. Профиль влажности грунта при максимальном увлажнении и высыхании устанавливается опытным путем.

Рис.1.8. К расчету подъема

фундамента при набухании грунта

Суммарные давления σ_z.tot в середине i -го рассматриваемого слоя (рис.1.8) грунта в основании сооружения определяются по формуле

σ_z.tot = σ_z.р + σ_z.g + σ_z.ad, (1.67)

где σ_z.р - давление от нагрузки фундамента в середине рассматриваемого слоя, МПа; σ_z.g - давление от собственного веса толщи грунта от подошвы фундамента до середины рассматриваемого слоя, МПа; σ_z.ad - дополнительное давление, МПа, действующее вследствие влияния веса неувлажненной части массива, расположенной вне пределов площади замачивания:

σ_z.ad = k_g γ(d + z), (1.68)

где k_g - коэффициент, принимаемый по табл.1.9 в зависимости от отношения длины L_ω замачиваемой площади к ее ширине В_ω и относительной глубины расположения середины рассматриваемого слоя; γ - удельный вес набухающего грунта, кН/м³; z - расстояние от подошвы фундамента до середины рассматриваемого слоя, см; d - глубина заложения подошвы фундамента от отметки планировки, см.

ТАБЛИЦА 1.9. ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА k_g

	kg при отношении Lω / Вω
0,5	0,58 0,81 0,94 1,02 1,07	0,5 0,7 0,82 0,89 0,94	0,43 0,61 0,71 0,77 0,82	0,36 0,5 0,59 0,64 0,69	0,29 0,4 0,47 0,53 0,57

Пример 1.4. Рассчитать подъем фундамента размером 1 Х 1 м под колонну здания размером в плане 12 Х 24 м. Давление по подошве квадратного фундамента 0,2 МПа, глубина его заложения d =1 м. Основанием фундаментов служат набухающие глины, залегающие слоем толщиной 10 м от поверхности и подстилаемые пылеватыми песками. Плотность глин 2 т/м³, давление набухания по лабораторным испытаниям р_sω =0,29 МПа. В процессе эксплуатации возможно увлажнение грунта водой в пределах всего здания; отношение сторон замачиваемой площади L_ω / В_ω = 24/12=2.

Решение. Разбиваем основание ниже подошвы фундамента на 10 слоев толщиной 1 м и определяем суммарное давление, действующее в середине каждого слоя при набухании грунта. Для первого слоя, примыкающего к подошве фундамента, найдем значение коэффициента k_g: середина этого слоя расположена на глубине z+d =0,5+1=1,5 м; тогда при (z+d)/В_ω =1,5/12=0,12 значение k_g =0. Для этого слоя давление от фундамента σ_z.р = ра =2·0,7=0,14 МПа, а р_z.g = γz = 2·0,5=0,1 МПа

В табл.1.10 приведены величины, используемые при определении σ_z.tot, а также коэффициент k_sω, находимый для каждого слоя грунта.

На глубине 9,5 м от подошвы фундамента суммарное давление больше давления набухания грунта, поэтому толщину зоны набухания принимаем равной 10 м от подошвы фундамента.

Для определения зависимости ε_sω = f(р) были испытаны в компрессионных приборах шесть образцов. Эти образцы замачивались под нагрузкой 0,007 (вес штампа прибора); 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 МПа.

Значения относительного набухания для характерных давлений следующие:

р, МП 0,07 0,08 0,096 0,11 0,15 0,18 0,226 0,27

ε_sω, % 3,2 3 2,4 2 1,8 1,7 1,3 1

Подъем фундамента определяется по формуле

h_sω = = 100(1,8·0,72 + 3,2·0,82 + 3,3·0,80 + 3·0,79 + 2,4·0,78 + 2·0,75 +

+ 1,81·0,72 + 1,7·0,69 + 1,3·0,66 + 1·0,62) 0,01 = 16 см,

где 0,01 – коэффициент, учитывающий переход значений ε_sω в % к значениям в долях единицы.

ТАБЛИЦА 1.10. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ σ_z.tot

Средняя глубина рассматриваемого слоя z, м		kg	σz.p, МПа	γz, МПа	σz.ad, МПа	σz.tot, МПа	ksω
0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5	0,12 0,21 0,29 0,37 0,46 0,54 0,63 0,71 0,79 0,88	0,04 0,13 0,21 0,29 0,38	0,14 0,036 0,014 0,007 0,005 0,003 0,001 - - -	0,01 0,03 0,05 0,07 0,09 0,11 0,13 0,15 0,17 0,19	- - - - - 0,005 0,02 0,036 0,055 0,08	1,5 0,66 0,64 0,77 0,95 1,18 1,51 1,86 2,25 2,7	0,72 0,82 0,8 0,79 0,78 0,75 0,72 0,69 0,66 0,62

6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И УСТРОЙСТВО ИСКУССТВЕННЫХ ОСНОВАНИЙ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ