Способы уплотнения оснований.



Тема 4. Строительство в слабых водонасыщенных грунтах.

Принцип расчёта и проектирования оснований.

К слабым водонасыщенным грунтам относят насыщеннные водой сильносжимаемые грунты, которые при обычных скоростях приложения нагрузок на основание теряют свою прочность, вследствие чего уменьшается их сопротивление сдвигу и возрастает сжимаемость. Слабый глинистый грунт – это дисперсная структурированная система с коагуляционным типом структурных связей, способная при их нарушении переходить из твердообразного состояния в жидкообразное. Текучее состояние грунта определяется степенью нарушения структурных связей. При расчете осадок сильносжимаемых водонасыщенных глинистых оснований возникает необходимость учета ползучести, нелинейной деформируемости и проницаемости. Цикличность приложения нагрузок, например, в элеваторах, изменяет прочностные и деформационные свойства грунтов оснований во времени. Неравномерная загрузка отдельных силосов приводит к значительным неравномерным деформациям. Специалисты рекомендуют проводить равномерную первичную загрузку и разгрузку элеваторов.

Часто к слабым водонасыщенным относят глинистые грунты (илы, ленточные глинистые грунты, водонасыщенные лессовые макропористые и заторфованные грунты и др.) при Е ≤ 5 МПа и sr ≥ 0,8, ϕ = 4 … 10°, с = 0,006 … 0,025 МПа. Болота и заболоченные земли занимают более 20% территории России.

Значение коэффициентов фильтрации в вертикальном и горизонтальном направлениях отличаются до 10 раз. Общая осадка подразделяется на часть, описываемую теорией фильтрационной консолидации, и часть, описываемую процессами вторичной консолидации.

На «обычный» влажный суглинок на 1 м2 можно приложить вес в 2*105Н. А вот похожий по составу, но полностью водонасыщеиный илистый суглинок выдерживает на этой же площади вес только 2*104 Н, т.е. на порядок меньше. Возникают илы путем постепенного накопления тонких частиц на дне озер и морей. Медленно кружась в воде, они, оседают и образуют рыхлый осадок.

На дне озер находится разжиженная масса, это и есть слабый, водонасыщенный грунт — осадок тонких частиц. В этом случае речь идет о совсем жидком и совсем слабом осадочном образовании. Пройдет время, и на его поверхности накопятся новые слои. Под их весом он уплотнится и приобретет какую-то небольшую, начальную прочность. Этому процессу энергично противодействует вода, окружающая частицы и насыщающая поры.

Несмотря на то что в конечном счете в осадке возникает коллоидная структура, он уплотняется и в нем даже появляются агрегаты, ил все же очень долго сохраняет малую прочность. Если такой «слабый» осадок со временем теряет свободную воду, то его уплотнение ускоряется и он переходит в ранг «обычных», достаточно прочных грунтов. В ходе такого обезвоживания идут сложные процессы, возникает агрегативная структура, появляются новые минералы (в геологии этот процесс называется диагенезом). Проходит длительное время и мы встречаем этот бывший «слабый» грунт в новом обличье. Он оказывается прочным и достаточно надежным для строительства.

Если в ходе капризных геологических процессов или в результате деятельности людей этот грунт опять насыщается водой, то в некоторых случаях может возникнуть обратный процесс. Вода снова наполняет поры, и агрегаты распадаются под «ударами» ее молекул. И вот «благополучный» грунт может опять стать «слабым». Заметим, что далеко не все «обычные» (прошедшие диагенез) породы могут при водонасыщении переходить в «слабые» грунты.

Помимо этого такой грунт, как правило, не возвращается в состояние осадка на дне, а сохраняет часть начальной прочности. Это связано с тем, что не все агрегаты распадаются, сохраняя свою прочность.

Теперь можно сказать, что слабые, водонасыщенные глинистые грунты на дне озер, морей, в современных болотах можно именовать «первичными». В отличие от них «обычные» грунты, переходящие при водонасыщении в слабые, называются «вторичными» слабыми, водонасыщенными глинистыми грунтами.

«Первичными» слабыми глинистыми грунтами покрыты обширные пространства океанического и морского дна. Они встречаются в районах рек, на дне озер, в искусственных морях — водохранилищах Когда река перегораживается плотиной, то в образованном водохранилище начинает накапливаться весь ее твердый сток (частицы, увлекаемые рекой). Нередки случаи, когда через пятьдесят — сто лет рыхлые осадки полностью заполняют водоем. И вот там, где плескались волны, появляется болотистая низина, сложенная слабыми, водонасыщенными иловато-глинистыми грунтами. Такая судьба постигла многие искусственные водохранилища, созданные в XIX и начале XX вв. в США.

С «вторичными» водонасыщенными глинистыми грунтами мы также часто встречаемся. Представим себе такую ситуацию: мы гуляем по сухой глинистой дороге. Грунт твердый и прочный. Вдруг прошел сильный дождь. Дорога размокла, и мы с трудом по ней идем, проваливаясь на каждом шагу в жидкую грязь.

 

Способы уплотнения оснований.

Фильтрующая пригрузка.Эффективно предпостроечное уплотнение слабых водонасыщенных грунтов. С этой целью устраивают фильтрующую пригрузку. Время уплотнения водонасыщенного грунта почти прямо пропорционально квадрату расстояния до дренажной поверхности. Для сокращения расстояния движения отжимаемой воды устраивают вертикальные песчаные дрены диаметром 0,4 … 0,6 м с расстоянием друг от друга 2,5 м. Вертикальные дрены поверху объединяют песчаной фильтрационной подушкой толщиной 0,6 … 1 м.

При толщине слабых глинистых грунтов до 7 м могут быть эффективны дренирующие прорезы в виде траншей шириной 0,6… 0,8 м и глубиной до 5,5 м. Траншеи заполняются песком, а над ними отсыпается горизонтальная подушка. Сплошные дренажные прорези устраивают там, где имеется дешевый дренирующий грунт.

В ряде случаев экономично применение дрен из искусственных материалов, например, картонные дрены. Их изготовляют из непроклееного трехслойного картона с поперечным сечением 3 × 100 мм. Коэффициент фильтрации картонной дрены составляет 10-3… 10-1 см/с, это в 100 … 1000 раз больше коэффициентов фильтрации слабого водонасыщенного грунта.

Конечная осадка слоя биогенного грунта или ила в стабилизированном состоянии, обусловленном намытым и отсыпанным слоем песка, вычисляют по формуле

s = 3ph / (3Е + 4p), (3.1)

где p – давление от песчаного грунта на поверхность слабого водонасыщенного биогенного грунта или ила, кПа; h – толщина слоя биогенного грунта или ила; E – модуль деформации биогенного грунта или ила при полной влагоемкости, кПа.

Осадка сильносжимаемого грунта зависит от сроков консолидации и от дренирования основания. Осадка недренированного основания пригруженного фильтрующей насыпью в заданный момент времени.

Песчаные подушки.На практике для снижения величины и неравномерности осадок фундаментов часто устраивают песчаные подушки толщиной до пяти метров. С их помощью удается уменьшить глубину заложения фундаментов и распределить давление на большую площадь, уменьшить размеры фундаментов. Песчаные подушки устраивают из средне- и крупнозернистых песков, щебня, гравия, гравийно-песчаной смеси.

Известковые сваи.В ряде случаев целесообразно применять известковые сваи. В толще грунтов под защитой обсадных труб пробуривают скважины диаметром 30 … 50 см. Их заполняют негашеной комовой известью слоем около одного метра. В обсадную трубу спускают трамбовку массой 300 … 400 кг и производят уплотнение. Снова насыпают слой извести и утрамбовывают и т.д.

Электрохимическая обработка.Упрочнение грунта происходит благодаря электрохимическим и структурообразовательным процессам, происходящим в глинистом грунте при пропускании постоянного электрического тока и введении электролитов.

Свайные фундаменты.Их применяют при сравнительно небольшой толщине слабых грунтов (до 12 м), подстилаемых прочными. Сваями прорезают полностью слабый грунт с опиранием на прочный. При забивке свай резко возрастает поровое давление, вследствие чего снижается несущая способность сваи. Со временем поровое давление снижается практически до нуля, а несущая способность сваи возрастает.

В условиях слабого глинистого основания возможно проявление отрицательного трения. Оседающий вокруг сваи грунт нагружает ее. Величина отрицательного трения может достигнуть 500 кН.

Причинами этого могут быть:

• планировка площади подсыпкой;

• загружение поверхности длительно действующими полезными нагрузками;

• пригружение слабых грунтов в пределах проездов и улиц периодическими подсыпками при ремонте дорожных покрытий;

• изменение плотности грунтов в результате понижения уровня грунтовых вод;

• динамические воздействия на грунт тяжелого транспорта и промышленных установок;

• проявления процессов, приводящих к постоянному уплотнению молодых слабых грунтов.

Отрицательные силы трения учитывают до глубины, на которой значения осадки околосвайного грунта превышают половину предельного значения осадки фундамента. Расчетные сопротивления грунта fi  принимают для торфа, ила, сапропеля fi =5 кПа.

Если в пределах сваи залегают напластования торфа толщиной более 30 см и возможна пригрузка территории около фундамента, то расчетное сопротивление fi для грунта, расположенного выше подошвы низшего слоя торфа принимают:

а) при подсыпках высотой до двух метров, для грунтовой подсыпки и слоев торфа равным 0, для минеральных грунтов природного сложения – по табл.;

б) при подсыпках от двух до пяти метров – для грунтов, включая подсыпку равным 0,4f, но со знаком "–", для торфа – (–5кПа);

в) при подсыпках более пяти метров – для грунтов, включая подсыпку – по, но со знаком "–", для торфа – (–5 кПа).

В пределах нижней части свай, где осадка околосвайного грунта после возведения и загрузки фундамента меньше ½ [su], где su – предельная осадка, расчетные значения fi принимают положительными по, а для торфа, ила, сапропеля – 5 кПа.

В случае, когда консолидация грунта от подсыпки завершилась, сопротивление грунта по боковой поверхности сваи допускается принимать положительным вне зависимости от наличия прослоек торфа, для которых f = 5 кПа.

При забивке свай в слабые грунты прочность последних снижается из-за разрушения структурных связей и перераспределения воды в порах грунта. Время "отдыха" свай, соответствующее упрочнению грунта, t ≈ 1,5Ip (Ip – число пластичности). Для повышения несущей способности сваи на их стволе делают уширение в верхней, средней частях и на уровне нижнего конца. В последнем случае расчет свай по прочности ствола должен производится с учетом продольного изгиба. При осадке слабой грунтовой толщи проявляется отрицательное трение.

Для уменьшения сил отрицательного трения применяют специальные обмазки. В практике возможны следующие случаи:

сильно сжимаемый слой расположен с поверхности; на некоторой глубине находится слой сильно сжимаемого грунта, перекрытый более прочными; толща состоит из перемежающихся пластов сильносжимаемых и сравнительно малосжимаемых грунтов.

 

Строительство Kansai International Airport (KIA) началось в 1987 году и было разделено на четыре основные фазы:

v подготовка морского дна,

v строительство дамбы,

v мелиорация (reclamation) и

строительство структур аэропорта.

Морское ложе под KIA состоит из двух основных слоев:

 

Ø голоценового глиняного горизонта, его толщина составляет от 18 до 24 м, и

Ø плейстоценового горизонта, который состоит из перемежающихся слоев глины и песка. Его толщина приближается к 180 м.

Голоценовый горизонт состоит из мягкой аллювиальной глины, содержание воды в которой около 70%. В результате консолидации толщина голоценового глиняного горизонта может уменьшиться в три раза.

§ Устройство ок. миллиона песчаных дрен диаметром 40 см и глубиной 25 м. Интервал между дренами составил 2,5 м.

§ Непосредственно перед дренированием на голоценовый горизонт был уложен слой песка толщиной 1,5 м.

§ Использование песчаных дрен позволило строителям за год провести консолидацию основной массы аллювиальной глины.

Плейстоцен находится на значительной глубине, обладает большой плотностью и деформировать его практически невозможно. Средняя величина усадки оказалась значительно выше прогнозируемой и к моменту открытия объекта в среднем составила 9,82 м (измерения проводились в 17 точках).

Суммарная средняя усадка к концу 2006 года составила:

с начала строительства 12,49 м;

после открытия аэропорта – 2,66 м.

1. Из карьеров с помощью конвейеров грунт доставлялся на берег залива и грузился на баржи емкостью до 3000 м3 с открывающимся днищем.

2. После достижения глубины моря 6 м, засыпку начали производить с барж, оборудованных ленточными конвейерами.

3. После подъёма поверхности искусственного острова над уровнем моря использовали наземную спецтехнику – вибрационные катки, бульдозеры. При этом постоянно контролировалась толщина слоев грунта (60 см), их влажность и плотность.

Открытие KIA позволило существенно увеличить пропускную способность японских авиалиний – только в 2000 году через KIA прошло более 20 млн человек. Однако для Министерства транспорта Японии его создание создало большое количество проблем:

ü стоимость первой части KIA оказалась на 40% выше прогнозируемой и составила 15 млрд долларов США;

ü землетрясение 1995 года привело к значительной усадке плейстоцена – уровень аэропорта опустился ниже уровня моря;

ü стоимость приема и взлета оказалась очень высокой – посадка на KIA самолета Boeing-747 (в зависимости от погодных условий и времени суток) может обойтись авиакомпании от 7 до 10 тыс. долларов;

с начала строительства проект сопровождается массовыми протестами различных экологических организаций.

 


Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 94; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ