Механика грунтов

• Введение
• 1. Типы грунтов
• 2. Характеристика грунтов города Москвы и их поведение при строительстве
• 3. Выбор конструкции фундамента в зависимости от типа грунта
• Заключение
• Список литературы
• Приложение

Условия строительства в г. Москве постоянно усложняются. Строительство новых зданий в черте города, особенно в его центральной части, осуществляется, как правило, рядом с существующей застройкой и может оказывать на нее негативное влияние. Развивается строительство «точечных» высотных зданий с высокими значениями удельной нагрузки на основание. Возрастают объемы реконструкции существующих зданий, чаще всего с надстройкой на 2 — 4 этажа.

Резко активизировалось использование подземного пространства города и строительство в связи с этим многоэтажных подземных комплексов различного назначения, транспортных тоннелей, коллекторов большого диаметра.

Вместе с тем значительная часть территории города, особенно его центр, характеризуется сложными и неблагоприятными для строительства инженерно-геологическими и экологическими условиями. Здесь развиты опасные геологические и инженерно-геологические процессы (карстово-суффозионные, оползневые, суффозия, эрозия, подтопление), залегают специфические грунты (насыпные техногенные, слабые глинистые, пучинистые, набухающие), встречаются древние эрозионные врезы (долины). Указанные условия часто осложнены негативными техногенными факторами (динамические воздействия, утечки из водонесущих коммуникаций, откачки подземных вод, подрезка склонов и т. п.).

Подземные сооружения часто размещаются в глубоких и наименее изученных горизонтах геологической среды, вблизи зон тектонических нарушений, древних эрозионных врезов, закарстованных и выветрелых пород; вскрывают суффозионно-неустойчивые, плывунные или тиксотропные грунты; приводят к активизации существующих и возникновению новых опасных геологических и инженерно-геологических процессов, не проявлявшихся ранее в ненарушенных природных условиях.

Указанные условия строительства выдвигают перед инженерными изысканиями повышенные требования.

Целью данной работы является изучение грунтов, их характеристики и поведения при строительстве в г. Москве, Московской области.

Задачи:

1. Рассмотреть существующие типы грунтов

2. Изучить характеристику грунтов города Москвы и их поведение при строительстве

3. Рассмотреть выбор конструкции фундамента в зависимости от типа грунта

1. Типы грунтов

Скальные грунты. Это самое надежное основание под фундамент. Представляют собой плотные горные породы, выходящие прямо на поверхность или покрытые тонким слоем почвы. Это гранит, базальт, диабаз, известняк, доломит, песчаник. Данные грунты не деформируются под нагрузкой, не размокают в воде и не промерзают зимой. На скальном грунте фундамент закладывают без заглубления, прямо на поверхности.

Полускальные грунты. Это те же горные породы, но раздробленные, с большим числом трещин. Они под нагрузкой не сжимаются, в воде не размокают, но во влажном состоянии способны промерзать. Надежное основание под фундамент, но при строительстве дома фундамент лучше заглубить в грунт на 0.5 м независимо от промерзания грунта.

Крупнообломочные грунты. Состоят из несвязанных обломков горных пород (щебня, гравия, галечника), бывают плотными или рыхлыми. Под нагрузкой не сжимаются, но часто размываются проточными водами, во влажном состоянии промерзают. Неплохой грунт для закладки фундамента. Надо лишь заглубить его на 0.5 м, даже если грунт промерзает на большую глубину.

Песчаные грунты. Сыпучие пески водопроницаемы, размываются проточной водой, во влажном состоянии промерзают. Под нагрузкой хорошо уплотняются, надежное основание под фундамент. Глубина заложения фундамента (обычно 0.4−0.7 м) зависит от плотности песчаного грунта — чем меньше плотность, тем глубже располагается фундамент.

Глинистые грунты. Состоят из глины почти без примеси песка. Сжимаются под нагрузкой, размываются проточной водой, при увлажнении часто сильно набухают, но уплотняются мало, при замерзании вспучиваются. Под весом дома уплотняются неравномерно, поэтому при осадке дом может покоситься, осадка длится долго — до нескольких лет. В таких грунтах фундамент закладывают на глубину промерзания.

Суглинки. Такой грунт состоит из глины со значительной (до 90%) примесью песка. Наиболее распространенный тип грунтов. По свойствам близки к глинистым грунтам. Разновидность суглинков — лессы, сильно оседают при замачивании. Во всех суглинистых грунтах фундаменты закладывают на глубину промерзания.

Торфяники. Сильно увлажненные грунты, состоящие в значительной степени из растительных остатков. Под нагрузкой сильно уплотняются, при замерзании увеличиваются в объеме. Фундаменты на торфяниках закладываются лишь после специальной подготовки.

Все эти грунты являются естественными, и поэтому их называют естественными основаниями под фундамент.

Но основания под фундамент бывают и искусственными. Они необходимы в тех случаях, когда на месте строительства оказываются слабые, сильно сжимаемые грунты. Есть две разновидности искусственных оснований: насыпные и улучшенные.

Насыпные основания. Устраивают намывом или насыпкой гравия, щебня с песком и примесью глины. Для этой цели подходят также металлургические шлаки, отвалы горных выработок, строительный мусор. Свойства таких грунтов неопределенны и устанавливаются для каждого грунта в каждом конкретном случае. При длительной выдержке такие грунты постепенно самоуплотняются и через 5−10 лет становятся пригодными для закладки в них фундамента.

Улучшенные основания. Слабые или малосвязанные грунты, уплотненные при помощи цементирования, битуминирования, введения солей, жидкого стекла и др.

Глубина промерзания грунта разная в различных регионах, это очевидно. Она меняется от нескольких см в южных регионах до 3−4 см в северных. Зависит она от состава и состояния пород, характера снежного покрова, ориентации и и наклона снежного покрова, типа растительного покрова и т. д.

Для каждой отдельной местности установлена расчетная глубина промерзания грунта или расчет грунта. Она определяется по многолетним наблюдениям и рассчитывается по формуле:

A = B*корень (E1/E2),

где A — расчетная глубина промерзания; B — глубина промерзания за данную зиму, измеренная на осушенной площадки с оголенной поверхностью; E1 — сумма среднемесячных температур за самую суровую в данной местности зиму; E2 — сумма среднемесячных температур за данную зиму.

Но вести всю зиму наблюдения за температурой да еще знать данные о самой суровой зиме это бредово. Зато можно воспользоваться сведениями о средней глубине промерзания грунтов в различных районах, например:

· 100 см — Астрахань, Гурьев;

· 120 см — Белгород, Великие Луки, Волгоград, Курск, Псков, Смоленск;

· 140 см — Воронеж, Москва, Новгород, Питер, Тверь;

· 150 см — Вологда, Кострома, Нижний Новгород, Пенза, Саратов;

· 170 см — Ижевск, Казань, Котлас, Вятка.

Надежность фундаментов во многом зависит от физических свойств грунтов, лежащих в основании, и в первую очередь от расчетного сопротивления грунтов. Для оценки технической пригодности грунтов имеют значение:

— связанность (сцепление), то есть прочность связи между частицами грунта;

— размер и форма частиц;

— однородность состава;

— коэффициент трения одной части массы грунта о другую (угол естественного откоса);

— влажность и влагоемкость, то есть наличие воды в грунте и то ее максимальное количество, которое грунт может принять;

— водопроницаемость, водоудерживающая способность, то есть способность грунта удерживать поглощенную воду вопреки действию сил, направленных на ее удаление;

— размываемость растворимость в воде, пластичность, сжимаемость, разрыхляемость и т. д.

Существует несколько видов грунта:

— скалистые;

— обломочные;

— песчаные (мелкозернистые и пылеватые пески);

— пылеватые (плывуны);

— суглинистые;

— глинистые.

Каждый из них характеризуется определенными показателями.

Скалистые грунты считаются самыми надежными. Они достаточно прочны, не проседают и не размываются. Вспучивание в зимнее время таким грунтам не грозит. При строительстве дома на участке со скалистым грунтом можно обойтись без заглубления и возводить фундамент непосредственно на поверхности грунта.

Обломочные или хрящеватые грунты содержат обломки камней и вкрапления гравия. Они не размываются и не сжимаются. В условиях обломочных или хрящеватых грунтов рекомендуется устраивать фундаменты с заглублением не более 50 см.

Песчаные грунты, состоящие из мелкозернистых и пылеватых песков, имеют свойство проседать, то есть сильно уплотняться под нагрузкой. Эти грунты не задерживают воду и в зимний период незначительно промерзают. Заглубление фундамента на песчаных грунтах рекомендуется проводить на глубине от 40 до 70 см.

Особого внимания при строительстве дома заслуживают пылеватые грунты, которые часто называют плывунами. Устраивать фундамент на таких грунтах довольно сложно и опасно. Строительство дома на плывунах лучше всего вести с опытными строителями.

Суглинистые грунты занимают промежуточное положение между песчаными и глинистыми. В их составе от 3 до 30% глины. При наличии в грунте менее 10% глины грунт называется супесчаным, и при повышенном содержании — суглинистым.

Глинистые грунты — наихудший из вариантов, который может встретиться при строительстве дома. Грунты такого вида могут сжиматься, размываться и вспучиваться при промерзании. В этом случае глубина закладки фундамента устраивается на всю глубину промерзания.

Следует отметить, что в сухом состоянии глинистые грунты могут служить хорошим основанием (в этом случае их относят условно к непучинистым), а при значительном насыщении водой и при малой плотности становятся довольно жидкими и сильно вспучиваются при промерзании.

Глинистые грунты иногда называют просадочными, так как, находясь в напряженном состоянии под действием нагрузки от строения, они дают просадку.

Различают два вида просадочных грунтов:

— грунты, просадка которых от собственного веса не превышает 5 см; - грунты, просадка которых от собственного веса превышает 5 см.

Основной причиной неустойчивости или разрушения фундамента является вспучивание некоторых грунтов в зимний период, а это, в свою очередь, связано с глубиной промерзания грунта в районе строительства и с глубиной залегания грунтовых вод. Сила вспучивания настолько велика, что в состоянии приподнять даже очень большие здания, и справиться с ней можно только в том случае, если будут соблюдены все рекомендации при устройстве фундамента.

2. Характеристика грунтов города Москвы и их поведение при строительстве

Строительство в г. Москве характеризуется следующими особенностями и тенденциями:

— в зоне существующей застройки строительство часто ведется в стесненных условиях, т. е. в непосредственной близости от эксплуатируемых зданий и сооружений;

— наметилась тенденция строительства высотных зданий (более 75 м), передающих на основания давления свыше 0,5 МПа;

— продолжают возрастать объемы реконструкции существующих зданий, особенно в центральных районах города, сопровождающейся чаще всего надстройкой. Осуществляется реконструкция памятников истории и архитектуры (как правило, без изменения архитектурных и конструктивных элементов);

— возрастают объемы строительства подземных и заглубленных сооружений, возводимых в глубоких котлованах с различными способами их креплений. Прокладываются подземные коммуникационные коллектора большого диаметра. Как правило, это строительство ведется также в условиях существующей застройки.

Строительство в г. Москве осложняется следующими факторами:

— наличием специфических грунтов и опасных геологических и инженерно-геологических процессов, а также активизацией последних в связи с практически непрерывным ведением строительства и реконструкции на новых и застроенных территориях;

— большой насыщенностью подземного пространства тоннелями метро и коммуникациями, а в районах исторической застройки — погребенными фундаментами, тоннелями, коммуникациями, колодцами, подземными выработками;

— необходимостью учета влияния проектируемых наземных и подземных сооружений на существующую застройку с целью ее максимальной сохранности, особенно на исторических территориях города, насыщенных памятниками истории и архитектуры;

— необходимостью учета влияния строительства на окружающую среду — экологическую обстановку города.

Для геологического строения города характерно залегание с поверхности толщ техногенных грунтов и четвертичных отложений различного генезиса, представленных песчаными и глинистыми грунтами современного и древнего аллювия, моренного, флювиогляциального, озерного и оползневого комплекса, реже другого генезиса. Подстилающие их породы представлены плотными песками, глинами, известняками, доломитами и мергелями мелового, юрского и каменноугольного возраста. Стратиграфические схемы четвертичных и дочетвертичных отложений г. Москвы приведены в приложении 1.

Подземные воды во многих местах залегают близко от поверхности (1 — 3 м). Их режим определяют как сезонные, так и техногенные факторы. К известнякам и доломитам карбона приурочены артезианские водоносные горизонты.

Инженерно-геологические условия значительной части территории города являются сложными и неблагоприятными для строительства вследствие развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов. Среди них наибольшую опасность для зданий и сооружений представляют подтопление территории, карстово-суффозионные и суффозионные процессы, оползни, оседания земной поверхности разного генезиса Рекомендации по оценке геологического риска на территории г. Москвы/ Под ред. А.Л. Рагозина/ Москомархитектура, ГУ ГОЧС г. Москвы. М.: ГУП «НИАЦ», 2002.; Рекомендации по оценке инженерно-геологических и гидрогеологических условий территории г. Москвы, планируемых к застройке, на основе карт природно-техногенных опасностей/ Москомархитектура, ГУ ГОЧС г. Москвы. М.: ГУП «НИАЦ», 2002.

Подтопление охватывает примерно 40% территории города и обусловлено в основном техногенными факторами Рекомендации по оценке геологического риска на территории г. Москвы/ Под ред. А.Л. Рагозина/ Москомархитектура, ГУ ГОЧС г. Москвы. М.: ГУП «НИАЦ», 2002.

На большей части территории города имеются закарстованные массивы карбонатных пород каменноугольного возраста, залегающие обычно на глубине в несколько десятков метров, что обуславливает возникновение карстовой и карстово-суффозионной опасности.

Оползневой опасности подвержены примерно 25% береговых склонов рек Москвы и ее притоков Рекомендации по оценке геологического риска на территории г. Москвы/ Под ред. А.Л. Рагозина/ Москомархитектура, ГУ ГОЧС г. Москвы. М.: ГУП «НИАЦ», 2002.

Схематические карты инженерно-геологического районирования г. Москвы по опасности подтопления территории, карстовой и оползневой опасности приведены в Рекомендациях Рекомендации по оценке геологического риска на территории г. Москвы/ Под ред. А.Л. Рагозина/ Москомархитектура, ГУ ГОЧС г. Москвы. М.: ГУП «НИАЦ», 2002, а по степени опасности проявления карстово-суффозионных процессов — в приложении, А настоящей инструкции.

Наличие техногенных физических полей — тепловых и электрических (блуждающие токи) способствует повышению агрессивности подземных вод и коррозионной активности грунтов, а также изменению свойств последних.

На территории города наряду с благоприятными для строительства грунтовыми условиями (песчаные отложения средней плотности и плотные, глинистые отложения ледникового комплекса, юрские глины от твердой до тугопластичной консистенции) встречаются неблагоприятные специфические грунты, к которым относятся: техногенные, рыхлые пески, слабые глинистые, органо-минеральные, набухающие и пучинистые. Свойство набухания проявляется в основном в юрских глинах.

Почти на всей территории города развиты техногенные отложения. В его центральной части их толща изменяется от 3 м на водоразделах и до 20 м в понижениях рельефа. Для этих отложений характерны недоуплотненность, неоднородный состав, слоистость, наличие включений, загрязненность химическими элементами, местами они насыщены остатками строительных материалов.

В техногенных грунтах, содержащих бытовые отходы, генерируется биогаз, состоящий из токсичных и горючих компонентов. Главными из них являются метан и двуокись углерода, в качестве примесей присутствуют тяжелые углеводородные газы, окислы азота, аммиак, сероводород, водород. Биогаз сорбируется вмещающими грунтами, растворяется в воде и поступает в приземную атмосферу.

Отмечается также значительное загрязнение почв и грунтов вредными для человека химическими элементами. Опасный уровень загрязнения зарегистрирован на 25% территории города, главным образом в центральной и восточной его частях. Инструкция по инженерно-геологическим и геоэкологическим изысканиям в г. Москве. Утверждена и введена в действие указанием Москомархитектуры от 11.03.04 № 5.

Напластования грунтов характеризуются большой неоднородностью (многослойность, линзы, выклинивание), а также большой изменчивостью их физико-механических свойств. В коренных отложениях обнаружены эрозионные врезы (зоны эрозионного размыва). Схематическая карта эрозионных врезов центральной части г. Москвы приведена в приложении 1.

3. Выбор конструкции фундамента в зависимости от типа грунта

В соответствии с концепциями развития районов и ПДП площадки строительства объектов жилищно-гражданского назначения размещаются в пределах г. Москвы преимущественно на следующих территориях:

— на территориях, ранее не предлагавшихся для освоения под жилищно-гражданское строительство;

— на территориях со сложной инженерной подготовкой;

— на территориях, ранее занимавшихся промышленными предприятиями, выведенными за городскую черту;

— на территориях относительно новой застройки за счет ее уплотнения и завершения;

— на территориях размещения реконструируемых пятиэтажных домов первого периода панельного домостроения;

— в центральной части города рядом с существующими зданиями и на территориях размещения реконструируемых зданий.

С точки зрения влияния на выбор видов фундаментных конструкций из свай упомянутые в выше площадки строительства могут быть сгруппированы следующим образом:

— строительство на вновь выделяемых территориях;

— строительство на территориях после их предварительной инженерной подготовки;

— строительство на свободных (или освобождаемых) территориях в зоне существующей застройки;

— реконструкция зданий с изменением (частичным иди полным) его конструкций;

— реконструкция зданий-памятников архитектуры (как правило, без изменения архитектурных и конструктивных элементов).

Для геологического строения Москвы характерно залегание с поверхности толщ четвертичных отложений различной мощности и генезиса, представленных песчаными и глинистыми грунтами современного и древнего аллювия, моренного и водно-ледникового комплекса. Подстилающие их коренные породы представлены плотными песками мелового возраста, юрскими глинами, карбоновыми известняками и мергелями (рис.1).

Грунтовые воды залегают на глубинах от 1 до 15 м и подвержены сезонным колебаниям. К известнякам карбона приурочен артезианский водоносный горизонт, обладающий напорным характером, режим которого нарушен.

Рис. 1. Стратиграфическая колонка г. Москвы

Во «Временных технических указаниях по расчету, проектированию и производству работ по свайным фундаментам зданий и сооружений в г. Москве» (Москва, 1987 г.) представлены обобщенные геологические профили, характерные для различных районов Москвы.

Для новых площадок строительства, схематическая карта размещения которых показана на рис. 2, в МГСН 2.07−97 «Основания фундаменты и подземные сооружения» приведены наиболее типичные инженерно-геологические колонки и дана характеристика свойств грунтов (нормативные значения).

Основными типами зданий, планируемых к массовой застройке на период до 2010 года, являются 12+17 этажные панельные дома с уровнем нагрузки на основание (общая нагрузка от здания, деленная на его площадь) 0,25+0,35 МПа (таблица 1).

Как следует из таблицы, в структуре жилищного строительства здания высотой более 8 этажей и с уровнем нагрузки на основание, достигающем 0,45 МПа занимает около 60%. Учитывая это, масштабы применения фундаментных конструкций из свай должны возрасти.

Что касается реконструируемых зданий, то они имеют различную конструкцию и этажность. При выборе типа фундаментов в большей степени, чем для массового строительства, применяется индивидуальный подход и, как правило, используются фундаментные конструкции из свай.

Таблица 1

Рис. 2. Схема размещения в г. Москве нового жилищного строительства в ближайшие годы

В настоящее время при строительстве в г. Москве зданий жилищно-гражданского назначения за редким исключением применяются забивные призматические сваи сечением 3030 см и длиной 4−12 м, изготавливаемые на заводах Моспромстройматериалов по каталогу железобетонных изделий, а также на заводах других ведомств по соответствующим ведомственным каталогам. Погружение таких свай осуществляется многочисленными строительными организациями различных ведомств. Во многих случаях имеющиеся у них копровые установки позволяют погружать сваи других типоразмеров, указанные в таблице 2.

В последнее время на строительстве ряда объектов в г. Москве стали применяться буронабивные и буросекущиеся сваи диаметром 50−150 см и длиной до 30 м типа БСИ, изготавливаемые специализированными строительными организациями (АО «Гидроспецфундаментстрой», АО «Гидроспецстрой», «Высотспецстрой», СУ-29, Мостотрест), оснащенными необходимыми для этого отечественными и импортными ставками. Эти же организации имеют станки, позволяющие осуществлять устройство буроинъекционных свай.

АО Московское предприятие «Гидроспецфундаментстрой», оснащенное буровыми станками типа СО-2 и СО-1200; применяет бурозавинчивающиеся сваи при реконструкции ряда московских объектов.

Заключение

Большая часть территории города имеет закарстованные массивы карбонатных пород каменноугольного возраста, залегающего обычно на глубине в несколько десятков метров, что обуславливает возникновение карстовой и карстово-суффозионной опасности.

Отмеченные выше опасные процессы и условия их развития, определяющие неблагоприятную инженерно-геологическую и экологическую обстановку на территории города, обуславливают необходимость их детального изучения, прогнозирования и оценки риска, а также разработку на этой основе мероприятий по инженерной защите территорий, зданий и сооружений от опасных процессов. Разработка таких мероприятий должна производиться в составе проекта объекта строительства и основываться на результатах комплексного изучения инженерно-геологической и экологической обстановки и мониторинга состояния окружающей среды, который должен осуществляться до начала строительства и при необходимости продолжаться на стадии строительства и в период эксплуатации сооружения.

1. Инструкция по инженерно-геологическим и геоэкологическим изысканиям в г. Москве. Утверждена и введена в действие указанием Москомархитектуры от 11.03.04 № 5.

2. «Временные технические указаниях по расчету, проектированию и производству работ по свайным фундаментам зданий и сооружений в г. Москве» Москва, 1987 г.

3. Рекомендации по оценке геологического риска на территории г. Москвы/ Под ред. А.Л. Рагозина/ Москомархитектура, ГУ ГОЧС г. Москвы. М.: ГУП «НИАЦ», 2002.

4. Рекомендации по оценке инженерно-геологических и гидрогеологических условий территории г. Москвы, планируемых к застройке, на основе карт природно-техногенных опасностей/ Москомархитектура, ГУ ГОЧС г. Москвы. М.: ГУП «НИАЦ», 2002.

Приложение

Приложение 1

Стратиграфические схемы и схематические карты г. Москвы

Стратиграфическая схема четвертичных отложений г. Москвы

Стратиграфическая схема дочетвертичных отложений г. Москвы

Схематическая карта инженерно-геологического районирования г. Москвы по степени опасности проявления карстово-суффозионных процессов

Схематическая карта инженерно-геологического районирования центральной части Москвы по геологическому строению и условиям взаимосвязи водоносных горизонтов

Условные обозначения:

Типы геологического строения и условия взаимосвязи водоносных горизонтов:

1 — планово-неоднородный (двухслойный безнапорный водоносный пласт); 2 — планово-однородный (напорный водоносный пласт с перетеканием)*.

Древние эрозионные врезы: Доюрские: 3 — склон Главной московской доюрской ложбины; 4 — тальвеги притоков Главной московской доюрской ложбины.

Доледниковые: 5 — граница центральной части Татаровской долины; 6 — тальвег Татаровской долины; 7 — граница центральной части Хорошевской долины; 8 — тальвеги Хорошевской долины и ее притоков.

* - Планово-неоднородный тип геологического строения приурочен к участкам отсутствия юрских глин; грунтовый водоносный горизонт залегает на известняках или глинах каменноугольного возраста.

Планово-однородный тип геологического строения расположен на участках распространения глин юрского возраста, которые отделяют грунтовый водоносный горизонт от водоносных горизонтов карбона.