Лессовые грунты не дают значительную просадку при замачивании

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 18.09.2024

Лёссы - это однородная рыхлая порода желтовато-серого, серого, светло-коричневого или бурого цвета. Ее гранулометрический состав относят к пылевато-песчано-глинистому типу, содержащему более 50 % пылеватых частиц. Лёссы - преимущественно макропористая порода, обычно с повышенным содержанием карбоната кальция; в маловлажном (природном) состоянии относительно прочная, способная держать вертикальные откосы; при замачивании легко теряет структурные связи между частицами и дает просадку от внешней нагрузки и (или) природного давления грунта; при полном водонасыщении может перейти в плывунное состояние.

При действии водных потоков на склонах легко подвергаются размыву с образованием оврагов. Просадочные свойства лёссов тесно связаны с их происхождением и формированием особой лёссовой структуры грунта. При промачивании лёсса происходит просадка и резкое уменьшение прочности грунта (под грунтом понимают любую горную породу, являющуюся предметом инженерной деятельности человека).

При этом наблюдается потеря устойчивости основания, его интенсивная осадка и часто выдавливание водонасыщенного лёссового грунта из-под фундамента сооружения, что обычно приводит к полному или частичному разрушению зданий, плотин, дорог и т.д.

В лессовидных толщах, залегающих на скальных породах, при быстром увлажнении образуются оползни-потоки, возникающие в результате сброса вязкотекучих масс; они могут следовать по долинообразным понижениям и при поступлении в реки разбавляются и трансформируются в сели.

Подтопление городов, расположенных на лёссовых породах (Запорожье, Днепропетровск, Мариуполь, Херсон), приводит к возникновению просадок. Просадки в лёссах возникают даже при незначительном (2-5 %) увеличении влажности и изменяются в широких пределах - от 0,1 до 2,5-3,0 м. В связи с просадками лёссовых грунтов начинается оседание поверхности земли и деформация зданий, вызывающая разрушение жилья и даже его потерю. В Запорожье от просадок лёссов деформировано 900 зданий.

Лессовые грунты широко распространены в мире и в России. Их толщина может меняться от нескольких метров до 25 м и более. В настоящее время 563 города в России страдают от просадок лессов. Разовый экономический ущерб может достигать 30 млн. долл. США, а среднегодовой - 600-800 млн. долл. США.

В связи с широким распространением лёссовых пород на территории России и стран СНГ проблема борьбы с просадочностью этих пород в основаниях инженерных сооружений становится весьма актуальной. По оценкам специалистов, до 45% стоимости работ по строительству гражданских и промышленных объектов на лёссовых грунтах тратится на комплекс мероприятий, предотвращающих деформацию сооружений из-за просадочности лёсса.

Существует несколько способов борьбы с просадкой лёссов. Наиболее распространенным является механическое уплотнение лёссовых грунтов тяжелыми трамбовками, масса которых может достигать 10 т, а иногда и более. Обычно трамбовки многократно (до 10-16 раз) сбрасываются на уплотняемый участок грунта с высоты 4-8 м. Данный метод позволяет уплотнить толщу лёссового грунта на глубину до 3,5 м.

Если необходимо ликвидировать просадочные свойства лёссовых грунтов на глубину до 25 м, то проводят их глубинное уплотнение грунтовыми набивными сваями или энергией взрыва. Иногда для ликвидации просадочных свойств производят предварительное промачивание лёссового массива. При этом происходит спровоцированная просадка грунта, после чего он уплотняется, теряет просадочность и переходит в стабильное состояние.

Среди специфических грунтов особую категорию составляют лессовые просадочные грунты. Просадочные грунты почти сплошным покровом лежат на большей части территории юга европейской части России (Нижний Дон, Предкавказье, Заволжье и др.), а также на юге Западной Сибири и в ряде других степных районов.

Просадочные грунты (рис.1) отличаются от грунтов непросадочных лишь тем, что они пронизаны макропорами, по которым поверхностные и грунтовые воды свободно перемещаются во всех направлениях. Находясь в напряженном состоянии от веса зданий и/или собственного веса при замачивании водой, просадочные грунты дают дополнительные осадки, называемыми просадками.

Механизм просадки может быть представлен следующим образом. Вода, проникая в маловлажную высокопористую лессовую породу, разрушает водонеустойчивые структурные связи, при этом происходит ее доуплотнение, плотность увеличивается и приходит в соответствие с напряженным состоянием.

В практике строительства часты случаи, когда здания, просуществовавшие значительное количество лет на лёссовом основании без деформаций, вдруг внезапно начинали разрушаться (рис.2). Причина – непреднамеренное замачивание лесса, отсюда и его неравномерная просадка.

Замачивание основания - это случайное событие. Оно может происходить в результате утечек из водонесущих инженерных сетей, технологических устройств, поступления атмосферных вод, подъема уровня грунтовых вод и по другим причинам, но Строительные Правила требуют, чтобы любые атаки грунтовых вод на грунтовые основания не нарушали штатный режим эксплуатации зданий.

О том, что здание будет возводиться на просадочном основании, проектировщик узнает из Технического отчета об инженерно-геологических изысканиях площадки проектируемого строительства. Целью изысканий является построение инженерно-геологической модели основания для разработки проекта, но Технический отчет не является документом, цифровая и графическая информация которого достоверны. В этом легко убедиться, если сделать заказ на выполнение еще одного или двух дополнительных независимых в исполнении Технических отчетов по застраиваемой площадке. Результаты Технических отчетов, и качественные и количественные, всегда будут разные, и порой разные существенно.

Избежать ошибок при проектировании и строительстве зданий на просадочных основаниях можно лишь уплотнением просадочных грунтов до непросадочного состояния, то есть уплотнять грунт до такого уровня, чтобы объемный вес скелета грунта pd равнялся или превышал значение 16 кН/м3. Именно при таком значении объемного веса скелета грунта нежелательные макропоры, по экспериментальным данным, будут находиться в сплющенном, водонепроницаемом состоянии.

Для решения задач по сплющиванию вредоносных макропор иногда применяется технология уплотнения грунтов тяжелыми трамбовками (рис.3). Уплотнение грунтов осуществляется с поверхностей дна котлована путем свободного сбрасывания тяжелых трамбовок, массой 2-7 т, на уплотняемую площадь. Уплотнение грунтов осуществляется ударной нагрузкой, которая по эффективности воздействия на грунт и достижения заданного объемного веса скелета грунта по принятому методу стандартного уплотнения соответствует статической нагрузке 0.85-1.0 МПа.

Если посмотреть результат воздействия ударной нагрузки на поверхность уплотняемого грунта (рис.4), то можно увидеть, что значительная часть энергии ударной нагрузки потрачена на перемещение минеральных частиц в наклонных и горизонтальных направлениях. Поэтому, для увеличения глубины уплотнения грунтов приходится увеличивать либо массу трамбовки, либо высоту сбрасывания трамбовки, либо количество ударов трамбовкой по одному месту, что экономически не оправдано.

Обособленные основания должны найти широкое применение в современном проектировании и строительстве. Они могут быть грунтовыми стенами, под фундаментами ленточными и грунтовыми массивами, под плитными фундаментами. Для того чтобы грунтовые стены и массивы эксплуатировались без скрытых дефектов, проектировщик должен знать только один параметр: давление на грунт, соответствующее снижению относительной просадки до нуля. Давление на грунт, при котором относительная просадка равна нулю, в научном мире называют вторым порогом просадочности, и это давление чаще всего изменяется в пределах 1-2 МПа.

Убежден, что проектировщик, прочитавший последний абзац, непременно покрутит пальцем у виска. И этот жест будет оправдан, потому что нагружение поверхностей оснований таким уровнем давлений противоречит требованиям Строительных Норм и Правил, п.2.41, и потому, что Технический отчет об инженерно-геологических изысканиях принуждает проектировщиков в проектных решениях использовать поверхностные давления без превышения значения 0.3 МПа.

Изменить требования к нагружениям просадочных оснований могут только фундаменты, включающие в себя клавишные блоки. Клавишный блок – это элемент фундамента, предназначенный для создания определенного зазора над его оголовком после снятия домкратных усилий.

С применением клавишных блоков можно конструировать и плитные фундаменты. На фрагменте (рис.7) показаны клавишные блоки, размещенные под наружной стеной, но клавишные блоки можно устанавливать и под стены внутренние. Плитные фундаменты с клавишными блоками должны применяться преимущественно в строительстве высотных зданий.

Инструменты для проектирования бездефектных оснований:

давление второго порога просадочности, необходимое для определения площади подошвы фундамента;
относительная осадка от воздействия давления второго порога просадочности, необходимая для определения строительного подъема здания при отрывке котлована.

Эти показатели должен отражать Технический отчет об инженерно-геологических изысканиях площадки проектируемого строительства.

Инструменты для производства:

Инструменты для определения высоты необходимого зазора:

гидроуровень с прозрачными колбами, закрепленными на стенах подвала выше каждого клавишного блока;
стартовая прерывистая ватерлиния, нанесенная краской на поверхности стен над всеми клавишными блоками.

Этими инструментами выявляется блок с максимальной осадкой и текущее отставание от него любого клавишного блока, что позволяет определять клавишные блоки для домкратного вдавливания в грунт и необходимые для них высоты зазоров.

Выводы:

клавишные фундаменты и клавишные технологии – это прорыв в область применения глубокоосадочных оснований. Они позволяют нагружать просадочные грунты давлениями, превышающими второй порог просадочности. Важно отметить, что несущие возможности просадочных грунтов под современными фундаментами использованы примерно до 10 %;
для многоэтажных и высотных домкратовыравниваемых зданий деформационные расчеты оснований должны уйти в прошлое, во-первых, они не дают точных результатов, что маскирует принимаемые ошибочные решения, во-вторых, они генерируют ресурсорасточительные решения.

Непросадочные основания: использование таинственных возможностей СНиП 2.02.01-83*

Клавишные фундаменты и клавишные технологии по своей эффективности станут незаменимыми при проектировании зданий и на обычных, непросадочных грунтах. В этом случае проектирование глубокоосадочных оснований должно осуществляться по требованиям пунктов СНиП 2.02.01-83* в следующей последовательности:

п. 2.1 (абзац 4) → п. 2.70 (подпункт г) → п. 3.12* (подпункт в и п. 2* Примечания) → п. 1.1 (подпункт в) → п.2.62 (формула 16) → п. 2.58 (формула 11).

Необходимо обратить внимание на то, что разработчик СНиП 2.02.01-83*, НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, своими требованиями принуждает проектировать грунтовые основания только с линейным мелкоосадочным деформированием, к которым относятся линейно деформируемое полупространство и линейно деформируемый слой, п. 2.40.

О том, что СНиП позволяет проектировать глубокоосадочные основания с нелинейным деформированием институту известно с 2000 года, но до сих пор новые возможности СНиПа им не афишированы, и лишь потому, что применение нелинейно деформируемых оснований вскрывает недальновидность тех ученых, которые непосредственно участвовали в разработке СНиП.

без проблем, порождающих ошибками проектировщиков в прогнозах и ограничениях деформаций оснований;
без масштабных фундаментостроительных затрат.

Но новая расчетная схема в п. 2.40 не может прописаться и в наши дни, потому что в новом алгоритме, предназначенном для проектирования нелинейно деформируемых оснований, не предусмотрено традиционное выполнение деформационных расчетов.

Ниже привожу фрагмент письма - ответа на мои предложения по проектированию грунтовых оснований с нелинейным деформированием:

Пояснение: СП 22.13330.2011 выпускался взамен СНиП 2.02.01-83*, но сегодня его действие приостановлено, хотя различий по требованиям к проектированию оснований у них нет, только требования к выполнению расчетов оснований по деформациям сосредоточены в подразделе 5.6, а требования к расчетам по прочности – в подразделе 5.7

Письмо НИИОСПа – это образец непрофессиональной отписки, что доказывается нижеследующим.

На рис. 8 показана диаграмма, отражающая зависимость осадки основания от величины поверхностного давления, где линия, выделенная красным цветом, отражает нелинейное деформирование.

Механика грунтов является одним из разделов строительной механики. Она имеет два подраздела: Линейная и Нелинейная. В современном проектировании оснований используются решения только Линейной механики грунтов. Нелинейная механика грунтов развивается только теоретически и до сегодняшнего дня не нашла практического применения. Поэтому под современными фундаментами отсутствуют нелинейные зависимости, обозначенные на диаграмме красной линией, чем создаются резервы несущей способности оснований до 80%. Зависимости, обозначенные красной линией, могли бы формироваться под каждым фундаментом, если бы применялись клавишные фундаменты и подраздел 5.6 не ограничивал бы под ними поверхностные давления на основания.

Известно, что за последние 80 лет ВИОС – НИИОСП принимал участие в разработке 7-ми СНиПов, и что ни один из этих СНиП не приспособил требования, которые изложены в подразделе 5.6, к проектированию нелинейно деформируемых оснований.

Разработка рабочих методик для деформационных расчетов нелинейно деформируемых оснований при ограничении осадок была, есть и всегда будет для ученых неисполнимой мечтой.

Реальное освоение нелинейно деформируемых оснований будет тогда, когда основания начнут проектировать по требованиям, изложенным в подразделе 5.7. При этом требования подраздела 5.6 были и должны оставаться действующими только для линейно деформируемых оснований, т.е. оснований, которые работают в фазе сжатия.

НИИОСП – это институт, научная деятельность которого направлена на освоение только линейно деформируемых оснований, поэтому в своих нормативных документах он сознательно многие годы, своими ограничениями давлений на грунтовые основания, скрывает возможность проектирования оснований с нелинейным деформированием.

Очевидно, без сторонней помощи в публичном пространстве усовершенствовать СНиП 2.02.01-83*, отменой ограничений давлений на нелинейные основания и введением новой расчетной модели, не представляется возможным.

Для руководителей строительным бизнесом: с применением нового алгоритма, квадратные метры вашей строительной продукции станут значительно дешевле!

Просадочность грунтов - это способность уменьшать свой объем при замачивании под собственным весом без возможности бокового расширения. К таковым относятся лессы и лессовидные суглинки, засоленные грунты. Иногда просадочность отмечается в мерзлых грунтах при оттаивании и песчано-рыхлых при вибрационном или сейсмическом воздействии.

Очень часто термин " просадка " путают с " осадкой ", причем это встречается даже среди строителей. Так вот, осадка - это вертикальное смещение подошвы фундамента, происходящее в результате уплотнения грунта, вызванного увеличением действующей на него нагрузки от самого сооружения и расположенных вблизи здания. Как видите, ни слова о замачивании.

Для оценки просадочности обычно используют показатель относительной просадочности и коэффициент макропористости. Относительной просадочностью называется относительная деформация лессового грунта исключительно от действия замачивания. Этот параметр определяется при лабораторном исследовании монолитов грунтов.

Классификация грунтов по просадочности

Просадка при замачивании, мм

10-15, реже до 25

Причины просадочности кроются в строении лессов. Лесс - это особый тип глинистых грунтов эолового (ветрового) происхождения. Он образуется в результате накопления пыли в условиях сухого климата (степь) и ее трансформации в результате почвообразующих факторов. Пылеватые частицы скреплены между собой мельчайшими кристаллами соли. Помимо этого, для лесса характерна большая пористость и крупный размер самих пор. Еще одна особенность - это анизотропия свойств. Например, сверху лесс почти не пропускает воду, а вот по простиранию (в горизонтальной плоскости) - очень легко. Поры обеспечивают легкое и быстрое распространение воды в породе, соль быстро растворяется, поэтому при замачивании структура породы рушится подобно карточному домику. Отсюда просадки и резкое снижение прочностных свойств.

Типы просадочности

Традиционно выделяют два типа просадочности . Для первого типа характерны просадки под действием некоторой нагрузки . При втором типе просадки происходят под собственным весом (более 5 см) . Тип просадочности и нагрузки, при которых начинаются деформации определяются в процессе лабораторных работ. Важно выяснить не только относительную просадочность, но и начальное давление и начальную влажность просадки. Это минимальные значения данных показателей свойств, при котором начинается процесс.

Лессовые грунты относятся к категории глинистых, но обособлены в один тип с просадочными грунтами.

Особенность лессового грунта – наличие пылевых частиц, слабо скрепленных между собой.

Они занимают 70-90% от общего объема.

Также в составе грунта присутствует гипс, известь и другие элементы.

Особенности лессовых и лессовидных грунтов

Лессовые грунты относятся к категории глинистых, но обособлены в один тип с просадочными грунтами. Особенность лессового грунта – наличие пылевых частиц, слабо скрепленных между собой. Они занимают 70-90% от общего объема. Также в составе грунта присутствует гипс, известь и другие элементы.

Лессовый грунт довольно пористый, отсюда высокая степень влагопоглощения. Характерная черта лесса – вертикальные канальцы на уровне макропор, по которым вода может проникать глубоко под землю. Эти канальцы занимают до 13% общего объема грунта. При проникновении воды происходит расслоение связей между частицами грунта и почва проседает.

Лессовидные грунты (суглинки) имеют те же свойства, что и лесс, но они более плотные за счёт глиняных примесей и грубее на ощупь. Степень просадки у суглинка меньше, чем у лесса.
Особенность постройки фундамента на лессовом грунте состоит в том, что землю перед началом строительства нужно хорошо трамбовать и упрочнять.

Фундаменты для лессовых и лессовидных грунтов и что нужно учесть при выборе фундамента

Можно возводить любой фундамент:

ленточный;
плитный;
свайный;
столбчатый.

При выборе фундамента нужно учитывать:

толщину лессовидного грунта;
коэффициент просадки грунта (лессовый грунт имеет сильную степень просадки, лессовидный — слабую);
уровень грунтовых вод;
уровень промерзания почвы;
давление фундамента (зависит от размеров строения).

Блок внимания: Если слой лессовидного грунта не слишком толстый, его можно убрать и возводить сооружение на более плотном пласте грунта. Рекомендуется использовать столбчатые или свайные фундаменты.

Возведение фундамента

Строительство на лессовидных и лессовых грунтах почти всегда проводится с заменой верхней части пласта на более плотный материал. Например, песок или глина в виде подушки. Во влажной местности песок не используют, так как он размывается.

Сооружение фундамента начинается с уплотнения грунта. Для уплотнения необходимо использовать тяжелые трамбовки, чтобы утрамбовать почву на глубину 1,5-2,0 м. Затем слоем в 0,5-1,0 м засыпается глина, которую также нужно утрамбовать. Последующий процесс происходит по стандартной технологии заливки (укладки), опалубки и армирования.

Этот вариант сооружения может быть использован, если грунт имеет слабую просадку. В случае с грунтом, обладающим сильной степенью просадки, надо будет дополнить технологию установкой бетонных свай, особенно под наружные несущие стены строения. Сваи должны быть привязаны к самому фундаменту. По сути, получается столбчатая конструкция, где фундамент будет выполнять функции ростверка.

Если показатель просадки от собственного веса сооружения составляет более 5 см, необходимо провести два мероприятия:

расширить утрамбованный слой (создать пяту);
обработать его битумным материалом или цементным жидким раствором.

Свайный фундамент будет оптимальным вариантом. Для его возведения не нужна предварительная утрамбовка грунта. Достаточно купить фундаментные сваи и нанять специализированную технику.

Купить можно, например, винтовые сваи. Они изготовлены из металла, и на конце сваи установлен бур, которым они вкручиваются в грунт. Такие сваи имеют длину до 12 метров, что позволит добраться до более плотного пласта грунта. Для сооружения фундамента необходимо через расчетное расстояние вкрутить сваи в землю на определенную глубину.
Минусом свайного фундамента является затратность – привлечение специализированной техники стоит денег, да и сами сваи обойдутся недешево. Но все это компенсируется быстрым проведением работ, отсутствием дополнительных материалов и надежностью конструкции.

Полезные советы

Перед началом возведения фундамента на лессовидных и лессовых грунтах позаботьтесь о водопонижении участка, так как избыток воды делает грунт подвижным и неустойчивым. Рекомендуется устраивать дренаж и ливнёвку, при этом уделить особое внимание местам около фундамента. Это первое.

Второе – устройство водонепроницаемой отмостки. Этот элемент должен быть шириной не меньше 1,5 м и глубиной до 0,5 м. Отмостки можно залить из бетонного раствора с нижним гидроизоляционным слоем. Можно полностью соорудить отмостки из асфальта.

Подводя итог, отметим важность тщательного анализа грунта и его показателей перед строительством фундамента.

Читайте также: