Фундаменти глибокого закладання, область їх використання. Особливості конструкції, розрахунку та влаштування.

Фундаменти глибокого закладення використовують в тих випадках, коли необхідно передати на грунт значні навантаження, причому споруда або частина будівлі розміщені під землею. До цих фундаментів відносяться опускні колодязі, кесони і фундаменти типу “стіна в грунті”.

1. Опускні колодязі. Опускний колодязь - це відкрита зверху і знизу порожниста конструкція будь-якої конфігурації в плані, яка занурюється в грунт, як правило, під дією власної ваги в процесі розробки грунту всередині колодязя.

Форма колодязя в плані визначається конфігурацією підземної частини будівлі. Використовуються бетонні та залізобетонні колодязі. Вони бувають монолітними, збірно-монолітними та збірними. Товщина стінок колодязя визначається з умови створення необхідної ваги для подолання сили тертя в процесі занурення і може перевищувати 2 м. Нижня частина колодязя називається ножем (рис. 12.1). Для зменшення тертя поверхні стінок з оточуючим грунтом передбачають в ножовій частині виступ, який утворює пазуху в процесі занурення колодязя. Пазуху заповнюють розчином бентонітової глини, яка утримує стінки грунту в вертикальному положенні.

Частину колодязя, що зводять до його опускання, розміщують на тимчасовій основі, наприклад, на щебеневій призмі. В процесі опускання слідкують за вертикальністю колодязя, відповідно розробляючи грунт. При цьому періодично нарощують колодязь шляхом бетонування монолітних або монтажу збірних чи збірно-монолітних ярусів.

Вибір механізмів для розробки грунту залежить від розмірів колодязя та інженерно-геологічних умов. Можуть застосовуватись екскаватори, транспортери, грейфери, гідроелеватори. Після занурення колодязя на проектну відмітку бетонують днище. При необхідності виконують гідроізоляцію стін та днища.

2. Кесони. Кесон - це залізобетонний ящик без дна із шлюзовим апаратом. Кесони застосовують нижче рівня грунтових вод і при наявності включень міцного грунту, для розробки якого потрібна присутність людей. Суть влаштування кесонних фундаментів полягає у відтисненні грунтової води з робочої камери в процесі його заглиблення, що дає можливість для роботи людей у цій камері (рис. 12.2).

Кесон складається з робочої камери 1, в якій у процесі занурення підвищується тиск повітря Цей тиск врівноважує тиск грунтової води на даній глибині і не дозволяє їй проникати в робочу камеру. Доступ у камеру людей та транспортування грунту проводяться через шахту 2, в якій розміщено шлюзовий апарат. По мірі заглиблення кесона зводять стіни 3 споруди, яка будується.

Робота людей в умовах підвищеного тиску шкідлива для здоров’я, тому максимальна величина заглиблення кесона складає 40 м. Обмежується і час перебування людей в робочій камері. Кесони використовуються дуже рідко, у випадках, коли неможливо використати інші фундаменти.

3. Фундаменти, що виготовляють методом “стіна в грунті”. Суть способу “ стіна в грунті ” полягає в наступному. З допомогою землерийних машин під захистом глинистої суспензії відкопують траншеї. Потім їх бетонують або монтують в них збірні елементи, які утворюють у грунті конструкції будівель і споруд переважно у вигляді стін. Таким способом виготовляють фундаменти будівель, підземні споруди, підпірні стінки а також протифільтраційні завіси. При будівництві замкнутих в плані споруд після зведення стін грунт з внутрішньої частини споруди виймають, бетонують днище і виготовляють перекриття.

Спосіб широко використовують нижче і вище грунтових вод, він найбільш ефективний при тісній забудові території.

Конструкції з монолітного залізобетону зводять окремими ділянками довжиною 3-6 м. Під захистом глинистої суспензії відкопують траншею (рис. 12.3), опускають арматурний каркас і виконують бетонування через бетонолітну рухому трубу. Потім цей процес повторюють на наступних ділянках. Глиниста суспензія, що витісняється бетоном, відводиться по лотку в запасну ємкість або в слідуючу ділянку траншеї.

Недоліком влаштування монолітних конструкцій є налипання глинистої суспензії на арматурний каркас (це суттєво ослаблює зчеплення арматури з бетоном). Цього недоліку позбавлені збірні конструкції.

Траншеї протифільтраційних завіс можуть заповнюватись твердіючими (бетон, глиноцементний розчин) і нетвердіючими (грудкова глина) матеріалами. Конкретний матеріал вибирають, виходячи з величини напору води, навантажень на завісу та терміну її роботи.

Фундаменти в особливих ґрунтових умовах. Сильностисливі, насипні, просідаючі та набухаючі ґрунти як основа промислових та цивільних будівель. Загальні вимоги для проектування фундаментів на таких ґрунтах.

До складних інженерно-геологічних відносяться такі умови, коли для проведення будівництва необхідне покращення властивостей грунтів (ущільнення, закріплення), їх заміна або використання спеціальних фунда­ментів (наприклад, пальових). Такі заходи проводять у просідаючих, набухаю­чих, заторфованих, засолених та насипних грунтах. Сейсмічні регіони, території з підземними порожнинами та виробками, ділянки з можли­вими зсувами відносять до особливих умов.

Фундаменти на просідаючих грунтах. Просідаючими називаються глинисті грунти, які під дією зовнішнього навантаження або (і) власної ваги при замочуванні водою чи іншими розчинами дають додаткове осідання, що називається просіданням, причому величина відносного просідання ε _sl≥ 0, 01.

Проектування основ і фундаментів на просідаючих грунтах виконують з урахуванням типу грунтових умов за просіданням. Грунтові умови ділянок, складених просідаючими грунтами, розділяються на два типи:

перший - просідання від власної ваги замоченого грунту відсутнє або не перевищує 5 см;

другий - просідання від власної ваги замоченого грунту перевищує 5 см.

Величина просідання замоченого грунту від власної ваги визначається потужніс-тю просідаючої товщі та величиною відносного просідання.

Знаючи величину відносного просідання ε _sl (див. тема 6) можна визначити просідання ос­нови за формулою

, де (13.1)

- число шарів, на які розділена просідаюча товща; - товщина і -го розрахун-кового шару; - коефіцієнт, приймається рівним 1 при визначенні просідання грунту від власної ваги. Приклад визначення типу грунтових умов за просіданням див. МВ 053-54.

Якщо замочування просідаючих грунтів неможливе, то будівництво ви­конують як у звичайних умовах. В протилежному випадку передбачають такі заходи:

- ліквідація властивостей просідання грунтів шляхом їх ущільнення або закріплення;

- прорізання просідаючої товщі фундаментами або масивами із закріпленого грунту;

- водозахисні заходи;

- конструктивні заходи;

- збільшення розмірів підошви фундаментів таким чином, щоб діючі сумарні на­пруження (від власної ваги і зовнішнього навантаження) в просідаючій товщі не перевищували початкового тиску просідання.

Якщо сумарна величина осідань і просідань, а також їх нерівномірність не перевищують допустимих величин, то вищенаведені заходи можна не передбачати.

Ми знаємо, що просідання грунтів відбувається за рахунок руйнування структурних зв‘язків, які складені легкорозчинними солями. Отже, для того щоб позбутися властивостей просідання необхідно попередньо зруйнувати ці структурні зв‘язки чи зробити їх стійкими до води чи будь-якої іншої рідини.

Фундаменти на набухаючих грунтах. До набухаючих відносяться глинисті грунти, які при замочуванні водою чи іншими розчинами збільшуються в об’ємі, причому величина відносного набухання у вільному стані (без навантаження) ε _sw≥ 0, 04.

Підняття фундаменту від набухання визначають за формулою

, де (13.6)

- число шарів, на які розділена набухаюча товща грунту; - товщина і -го розрахункового шару; - коефіцієнт, який залежить від величини загального вертикального напруження на глибині .

Якщо замочування набухаючих грунтів неможливе, то будівництво ви­конують як у звичайних умовах. В протилежному випадку передбачають такі заходи:

- ліквідація властивостей набухання грунтів шляхом їх закріплення (див. п.13.1);

- прорізання набухаючої товщі фундаментами або масивами з закріпленого грунту;

- водозахисні заходи (див. п.13.1);

- конструктивні заходи (див. п.13.1);

- зменшення розмірів підошви фундаментів таким чином, щоб діючі сумарні на­пруження (від власної ваги і зовнішнього навантаження) в набухаючій товщі перевищували початковий тиск набухання.

Якщо сумарна величина осідань і підняття, а також їх нерівномірність не перевищують допустимих величин, то вищенаведені заходи можна не передбачати.

Будівництво на насипних та намивних грунтах. До насипних грунтів відносяться: планомірно відсипані (зворотні засипки, грунтові подушки, греблі), відвали грунтів (однорідний склад) та звалища грунтів (неоднорідний склад з вмістом різних відходів). Для насипних грунтів характерні високий ступінь неоднорідності складу та механічних показників.

Найбільш поширеними є такі варіанти будівництва на цих грунтах:

- використання злежаних відсипаних грунтів як природних основ;

- покращення властивостей грунтів шляхом їх ущільнення, закріплення;

- прорізання насипних грунтів пальовими чи іншими фундаментами.

Перший та другий варіанти придатні для грунтів з незначним вмістом органічних речовин.

Як штучні основи на Україні широко застосовують намивні грунти - намиті засобами гідромеханізації грунти на різні низинні території (яри, балки). Для намива-ння в більшості випадків застосовують піски. Наявність глинистих грунтів у складі намиву суттєво погіршує його будівельні властивості (збільшується неоднорідність грунту, час його самоущільнення і знижуються механічні показники).

Час самоущільнення намивних пісків складає декілька місяців. Ці грунти вико-ристовують як природні основи, коли їх деформація (разом з деформаціями підстилаю-чих шарів) не перевищує граничних значень. В протилежному випадку передбачають ущільнення намитого грунту, його прорізання пальовими чи іншими фундаментами.

Основи і фундаменти на просідаючих лесових ґрунтах. Визначення величини відносного просідання та початкового тиску просідання. Розрахункові схеми лесової основи. Розрахунок фундаментів неглибокого закладання та пальових на просідаючих ґрунтах України.

Лесовими ґрунтами вважають глинистий ґрунт: супіски, суглинки, іноді глини, які мають властивість просадочності. В таких ґрунтах після зволоження виникає додаткова деформація (до осідання), яку звуть просіданням.

Лесовий ґрунт має характерні показники фізичних властивостей порівня-но з показниками звичайного глинистого ґрунту. Відзначається він невеликою щільністю ρ =1, 25...1, 55 т/м3; низькою вологістю W =0, 1...0, 2; значною пористіс-тю, яка звичайно перевищує 50%. Коефіцієнт водонасичення лесового ґрунту менший, ніж Sr =0, 6, хоч у деградованому стані цей показник може бути біль-шим.

Величину просідання від власної ваги зволоженого ґрунту визначають за формулою

де ε sℓ.і – відносна просадочність і -го шару ґрунту від дії середнього тиску від власної ваги зволоженого ґрунту; hi – товщина і -го шару ґрунту, м; ksℓ – коефі-цієнт, який для лесового нашарування товщиною Н ≤ 15 м дорівнює одиниці, для Н ≥ 20 м ksℓ =1, 25, а в межах між 15 і 20 м визначається за інтерполяцією; n – кі-лькість шарів лесового ґрунту.

Для невеликих за потужністю товщ лесового ґрунту (перший тип ґрунтових умов за просадочністю) доцільне викорис-тання часткового або повного усунення просадоч-ності. Для визначення глибини h, до якої слід усу-нути просадочність, від підошви фундаменту й до покрівлі непросадочного ґрунту будують епюру деформацій. Якщо відкласти на максимальній ор-динаті епюри величину Su та провести крізь цю точку вертикаль, то перетин вертикалі з епюрою деформацій дає рівень, до яко-го треба усунути просадочні властивості ґрунту (hds) (рис. 16.5).

Рис. 16.5. Розрахункова схема для визначення просідання лесового грунту:

1 – епюра тиску від власної ваги замоченого ґрун-ту σ zg; 2 – епюра додаткового тиску від зовніш-нього навантаження та ваги фундаменту σ zp; 3 – епюра сумарного тиску σ zg+σ zp; 4 – епюра де-формацій .

За нормами пальові фундаменти в просадочних ґрунтах проектують так, щоб кінці паль досягали шарів ґрунту, які не мають просадочних властивостей (скельні, піщані щільні та середньої щільності, глинясті ґрунти твердої або на-півтвердої консистенції у зволоженому стані).

Несучу здатність палі для лесових товщ великої потужності (ІІ тип) уста-новлюють, беручи до уваги негативне тертя, яке не тільки не збільшує несучу здатність палі, а навіть зменшує її. В таких умовах розрахункове навантаження

на палю визначають за формулою

де γ c – коефіцієнт умов роботи, який визначають у свою чергу за формулою γ c =0, 8(Ssℓ, g -5)/(2 Su -5); Fd – несуча здатність палі за формулою в шарі водо- насиченого ґрунту нижче від покрівлі непросадочного шару, кН; γ k – коефіцієнт надійності (γ k =1, 4); Pn – негативна сила тертя, кН, яку визначають залежно від розмірів перерізу палі та величини hsℓ, а також розрахункового опору ґрунту τ, кПа за формулою.