Особенности технологии устройства оснований и фундаментов гражданских зданий на слабых водонасыщенных глинистых грунтах

В настоящее время началось массовое освоение территорий, сложенных слабыми водонасыщенными грунтами, для строительства новых гражданских и промышленных сооружений. При производстве строительных работ произошло много аварий и деформаций, нарушающих эксплуатационную пригодность сооружений. Действующие нормативные строительные нормы и правила по устройству оснований сооружений и по технологии производства работ не учитывают особенности свойств слабых водонасыщенных грунтов, используемых в качестве оснований сооружений.

К слабым водонасыщенным грунтам относятся грунты различного происхождения, которые в настоящее время являются сильносжимаемыми и водонасыщенными. В соответствии с решениями российских и международных конференций к группе слабых водонасыщенных грунтов относят грунты, сжимаемость которых характеризуется значением модуля общей деформации 5 МПа или меньше, а степень влажности равна или более 0,8, то есть у таких грунтов более 80% пор заполнены водой. По действующим нормам СНиП 2.02.01−83 такие грунты называются водонасыщенными.

К группе слабых грунтов относятся морские и пресноводные илы, водо-насыщенные лессовые грунты, ленточные глины, различные глинистые грунты текучей и текучепластичной консистенции и другие виды пылевато-глинистых грунтов.

Слабые водонасыщенные грунты часто залегают на большую глубину. Так, например, вдоль р. Москвы залегают илы на глубину 10−14 м, в г. Архангельске весь промышленный район (р.Кузнечиха) расположен на слабых водонасыщенных глинистых и заторфованных грунтах толщиной 18−22 м. В г. Волгодонске и в основании завода «Атоммаш» залегают слабые водонасыщенные грунты на глубину 20−24 м.

За рубежом (Малайзия, Китай, Индонезия, Ирак, Аргентина и т. д.) имеются территории, где слабые водонасыщенные грунты (преимущественно морские илы) залегают на глубину до 60 м.

При строительстве сооружений на больших толщах слабых водонасы-щенных пылевато-глинистых грунтов необходимо решить ряд сложных задач.

При устройстве фундаментов сооружений на таких грунтах расчетные осадки сооружений получаются очень большими, иногда до 3−4 м. Очевидно, что при таких очень больших осадках будет и большая неравномерность между осадками соседних колонн, стен и т. д. В соответствии с действующими СНиП по устройству оснований и фундаментов допускаемая осадка составляет для панельных домов 8−10 см, для кирпичных зданий — до 15 см, а для металлических резервуаров даже больших диаметров (емкостью 20 тыс. м3) составляет 30 см. Именно поэтому проблема устройства оснований на больших толщах слабых грунтов является сложной и актуальной.

Другой сложной проблемой является обеспечение устойчивости фундаментов на слабых грунтах. Это объясняется тем, что слабые водонасыщенные пылевато-глинистые грунты характеризуются малой прочностью. Для них характерны значения угла внутреннего трения от 3° до 14°, а сцепления — от 0,0 до 0,02 МПа. Только в течение длительного времени, в процессе уплотнения грунтов, уменьшается сжимаемость (увеличивается модуль деформации грунтов) и повышаются прочностные характеристики грунтов. Однако именно малой прочностью грунтов объясняются многочисленные аварии сооружений во время строительства на слабых грунтах.

Третьей проблемой, определяющей сложность строительства на больших толщах слабых грунтов, является положение, что процесс уплотнения слабых водонасыщенных пылевато-г .инистых грунтов протекает медленно, в течение длительного времени (несколько месяцев, а иногда несколько лет), и в этот период протекают неравномерные осадки стоящих или построенных сооружений.

Анализ деформаций промышленных и гражданских сооружений, построенных на слабых грунтах по различным технологиям (свайные фундаменты из железобетонных свай, песчаные подушки, песчаные сваи, известковые сваи, дренажные прорези и т. д.), показал, что в большинстве случаев рассчитанные по существующим методам осадки (по теории линейно-деформируемых тел) значительно отличаются от фактических осадок (наблюдаемых реальных сооружений). Кроме того, существующие технологии устройства основания и подземных сооружений нулевого цикла часто приводят к появлению деформаций в процессе строительства в недостроенных частях сооружений на слабых грунтах.

До настоящего времени не разработаны особенности технологии возведения фундаментов и подземных частей сооружений на слабых грунтах с учетом изменения характеристик грунтов основания в процессе строительства.

В связи с вышеизложенным цель данной диссертационной работы заключалась в том, чтобы разработать технологию устройства оснований и фундаментов на слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтах с учетом изменения характеристик сжимаемости и прочности грунтов в процессе строительства сооружений.

Для достижения данной цели были дополнительно поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследовать причины массовых деформаций и аварий фундаментов и построенных подвальных стен и конструкций первых этажей жилых зданий при строительстве на слабых водонасыщенных грунтах и разработать мероприятия, препятствующие развитию деформаций зданий и сооружений в процессе их монтажа и возведения на слабых грунтах.

2. На основе анализа исследований свойств слабых водонасыщенных глинистых грунтов установить особые свойства этих грунтов, которые необходимо учитывать при разработке проекта производства работ (ППР) и при выполнении работ нулевого цикла в процессе строительства зданий.

3. Разработать инженерные методы определения осадок фундаментов, расположенных на слабых грунтах, в процессе строительства здания, с учетом особых свойств слабых грунтов.

4. Провести сравнение осадок сооружений проведенных натурных наблюдений за развитием осадок зданий и сооружений, расположенных на слабых грунтах, в процессе строительства, с данными расчета по предложенным аналитическим формулам определения осадок для установления пределов применимости, разработанного аналитического решения.

5. Провести лабораторные исследования работы наиболее часто применяемых искусственных оснований (песчаных подушек, песчаных свай и песчаных дрен) и выявить причины снижения эффективности этих искусственных оснований во времени при их устройстве на слабых водонасыщенных глинистых и засоленных грунтах. Разработать технологию, обеспечивающую длительную нормальную эксплуатацию искусственных оснований в указанных выше сложных грунтовых условиях.

6. На основе анализа технологии строительного производства по устройству оснований и фундаментов новых зданий, при пристройке к существующим на слабых водонасыщенных глинистых грунтах, выяснить причины деформаций и аварий сооружений в процессе строительства и разработать технологию устройства фундаментов вблизи существующих зданий.

7. Разработать технологию производства работ по устройству котлованов в слабых грунтах, с учетом их специфических свойств, для разработки проекта производства работ при строительстве зданий на слабых водонасыщенных грунтах.

8. Разработать технологию производства работ нулевого цикла с учетом специфических особенностей свойств слабых водонасыщенных грунтов основания, методику проведения инженерно-геологических изысканий, проект производства работ, методику проведения мониторинга за строящимися зданиями и расположенными вблизи них сооружениями.

9. Выработать требования по особенностям производства работ при устройстве свайных фундаментов в слабых грунтах и по особенностям составления технологических карт по устройству оснований и фундаментов на слабых грунтах.

Научная новизна работы состоит в том, что на оснрве анализа аварий в процессе строительства сооружений, расположенных на слабых грунтах, установлены основные факторы, которые не учитывались при разработке ППР на устройство оснований и фундаментов. Предложен новый метод учета осадок фундаментов сооружений в процессе строительства с учетом специфических свойств слабых водонасыщенных глинистых грунтов основания. Установлено, что при устройстве песчаных подушек, свай, дрен происходят процессы кольматации песка в теле этих искусственных оснований, в результате чего снижается устойчивость фундаментов. Предложены новые технологии устройства песчаных свай, дрен и песчаных подушек, снижающих негативное влияние кольматации песка. Установлены особенности уплотнения засоленных слабых грунтов и предложены технологии производства работ по устройству оснований на засоленных грунтах с промывкой песчаных подушек водой и растворами кислот.

Практическая ценность данной работы заключается в том, что впервые разработаны новые положения по учету особых свойств слабых грунтов (высокая сжимаемость, малая прочность, длительность протекания осадок фундаментов строящихся зданий во времени, нелинейная зависимость между изменением давления на фундамент в процессе строительства здания и конечными деформациями и т. д.) при составлении проекта производства работ и технологических карт. Установлены новые требования к технологии производства работ по устройству котлованов на слабых воодонасыщенных грунтах, в том числе и с учетом возможного промерзания грунтов. Предложена новая схема производства работ при устройстве зданий в виде законченных жестких отдельных частей, которые могут консервироваться при перерывах в строительстве. Предложена методика организации контроля качества производства работ при устройстве оснований и фундаментов на слабых водона-сыщенных глинистых грунтах.

Предложена методика проведения исследований прочности слабых грунтов с учетом их уплотнения в процессе строительства. Результаты исследований позволяют предотвратить потерю устойчивости фундаментов подвальных стен в процессе строительства на слабых водонасыщенных глинистых грунтах при разработке проекта производства работ. Предложено учитывать при прогнозе осадок сооружения, что в процессе производства работ нижняя часть песчаной подушки кольматируется глинистыми частицами или солями, что приводит к изменению сжимаемости и прочности этой части песчаной подушки в процессе производства работ. Поэтому расчет песчаной подушки должен производиться не как однослойного основания с одинаковыми деформативными и прочностными свойствами по толщине, а как двухслойного основания, где нижний слой является слоем, в котором находится большое количество глинистых частей и солей. Предложены практические рекомендации по технологии устройства оснований и фундаментов для строящихся рядом с существующими сооружениями новых зданий на слабых водонасыщенных глинистых грунтах и методика организации мониторинга за вновь строящемся и ранее расположенными вблизи сооружениями.

Реализация результатов работы. Результаты исследования были использованы при устройстве песчаной подушки и строительстве 17-этажного жилого дома на ул. Печорская, д. 6 в г. Москвепри разработке проекта производства работ и строительстве жилого 14-этажного дома по ул. Космонавтов, д. 8−10- при разработке проекта производства работ при строительства здания ЦНИИЭПжилища на ул. Давыдовская, вл. 3- а также на объектах фирмы «Инженер» в г. Москве в 1999;2001 гг.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на семинарах ЦМИПКС при МГСУ, на научно-технических конференциях в ГАСИС (2000;2001 гг.), на Международном семинаре по механике грунтов и проблемам свайного фундаментостроения (г.Одесса, 2001 г.) и на Международном семинаре «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли» (г. Тюмень, 2002 г.). Отдельные разделы диссертации включены в учебные пособия для институтов повышения квалификации строителей.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 14 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Диссертация выполнена на 200 стр., содержит 47 рисунков и 17 таблицы.

Список литературы

включает 123 наименований.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ.

1. Анализ методов строительства на многочисленных объектах гражданских сооружений, расположенных на водонасыщенных слабых глинистых грунтах, показал, что до сих пор при проектировании и строительстве не учитываются специфические свойства этих грунтов, в результате чего в процессе проведения строительно-монтажных работ часто происходят случаи потери устойчивости фундаментов, деформации и обрушения построенных частей сооружений.

2. Анализ результатов исследований, проведенных различными научно-исследовательскими организациями и специалистами, показал, что для слабых водонасыщенных глинистых грунтов характерны специфические свойства, которые заключаются в высокой сжимаемости, малой структурной прочности, низких значениях прочностных характеристик, малой проницаемости слабых грунтов, нелинейной зависимости между изменениями нагрузок в процессе строительства и деформациями.

3. Разработан метод определения деформаций фундаментов строящихся зданий с учетом нелинейной зависимости между возникающими напряжениями и деформациями слабых водонасыщенных глинистых грунтов оснований зданий и с учетом времени строительства и эксплуатации.

4. Предложены методы технологии строительного производства по устройству оснований и фундаментов при пристройке новых сооружений к существующим зданиям на слабых водонасыщенных глинистых грунтах и выработаны особые требования к разработке проектов производства работ при пристройке новых сооружений к существующим зданиям с учетом обеспечения сохранности этих зданий применением специальных мероприятий (разделительный шпунт, консольные фундаменты, свайные фундаменты и т. д.).

5. Разработаны рекомендации по составлению проекта производства работ (ППР) для производства строительных работ по устройству оснований и фундаментов при пристройке зданий к существующим сооружениям, расположенным на слабых водонасыщенных глинистых грунтах. Приводится методика учета взаимной работы соседних фундаментов с различными глубинами заложения, последовательности нагружения грунтов в основаниях и изменения физико-механических характеристик грунтов в основаниях зданий за период их эксплуатации.

6. Проведенными лабораторными исследованиями установлено, что при отжатии поровой воды из слоя слабых водонасыщенных глинистых грунтов в основании строящихся сооружений происходит перемещение глинистых частиц вместе с поровой водой, а в засоленных слабых водонасыщенных глинистых грунтах поровая вода отжимается вместе с растворенными в ней солями. В связи с этим происходит кольматация песка в теле песчаных подушек, песчаных свай и вертикальных песчаных дрен. В результате кольматации эти искусственные основания (сооружения) перестают выполнять функцию дренажа частично или полностью как в плане, так и по глубине, что приводит к неравномерной деформации зданий в процессе строительства.

7. На основе лабораторных исследований предложена методика продления работоспособности песчаных подушек, песчаных свай и вертикальных песчаных дрен путем устройства в них в процессе их возведения полимерных труб, которые позволяют произвести промывку закольматированнго песка в теле этих искусственных оснований с помощью горячей воды или слабых растворов (0,5−1,0%) соляной кислоты.

8. На основе выполненных натурных и лабораторных исследований установлены особенности технологии производства работ по устройству оснований и фундаментов зданий различных конструктивных схем и функционального назначения на слабых водонасыщенных глинистых грунтах, которые заключаются в принятии специальных решений при устройстве котлованов, открытом водоотливе из котлованов, предупреждении морозного пучения грунтов оснований, при погружении свай в толщу слабых водонасыщен.

189 ных глинистых грунтов, особенно при проведении этих работ вблизи существующих зданий, организации контроля качества работ при строительстве зданий на слабых водонасыщенных глинистых грунтах и т. д.

9. Выработаны требования по составлению проектов производства работ при строительстве зданий и сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах с учетом специфических свойств этих грунтов. Установлены основные требования, предъявляемые к разработке технологических карт на устройство искусственных оснований с учетом специфических свойств слабых водонасыщенных глинистых грунтов в основаниях строящихся зданий.