Процессы в основании сооружений
Процессы, протекающие в основании сооружений условно можно подразделить на две группы.
1. Процессы, связанные с дополнительным увлажнением грунтов основания, вызванным различными причинами. Сюда относятся набухание и просадочность грунтов, рассматриваемые в разделе «Процессы, связанные с увлажнением грунтов», а также процессы пучения и оттаивания многолетнемерзлого основания, рассматриваемые в разделе «Промерзание и оттаивание грунтов».
2. Процессы, связанные с дополнительной нагрузкой на грунт, вызванной строительством сооружений. Сюда относятся осадка, выпор и консолидация грунтов.
Осадкой называется оседание поверхности земли, происходящее в результате сжатия грунтов в основании сооружений. Причиной является дополнительная нагрузка от веса сооружения.
Выпор – катастрофический, предельный вариант осадки. Вероятность выпора всегда просчитывается при проектировании сооружений с обязательным использованием значительных коэффициентов запаса. По этой причине на практике выпор случается редко, хотя и широко рассматривается в специальной литературе.
В тех случаях, когда нагрузка под сооружением превышает допустимую нагрузку, в грунтах начинают происходить деформации сдвигающего и текучего характера (рис. 2.8).
Рис. 2.8. Выпор грунта из-под сооружения
Снаружи от сооружения по поверхности земли при этом вырастают бугристые выступы грунта, сооружение наклоняется недопустимым образом и приходит в аварийное состояние. Выпор может развиваться на песчано-глинистых, торфяных и слабых грунтах и практически не отмечается на скальных и полускальных грунтах.
Вернемся к характеристике осадки. Характер деформаций и другие процессы, приводящие к осадке в различных грунтах не одинаковы, и поэтому три основных класса грунтов рассматриваются отдельно.
В скальных и полускальных грунтах с жесткими связями между частицами осадка может происходить либо за счет упругих деформаций, либо за счет закрытия части объем трещин. И то и другое незначительно, не превышает первых миллиметров и на практике может не учитываться в большинстве случаев.
В песчаных грунтах осадка происходит за счет смещения частиц грунта друг относительно друга и общего уменьшения пористости. Препятствовать этому процессу будут силы трения и сцепления, существующие между отдельными песчаными частицами. Упругие деформации тоже будут иметь место, но они относительно невелики.
Деформация может существенно возрастать, если помимо статической нагрузки, создаваемой весом сооружения, одновременно будет происходить динамическое воздействие, вызванное работой строительной техники или технологического оборудования внутри уже возведенного здания. Песчаные частицы в этом случае будут испытывать на себе постоянные толчки и постепенно смещаться, приводя к общему уплотнению толщи.
Процесс будет усиливаться и ускоряться, если песчаная толща будет находиться во влажном и, особенно, в водонасыщенном состоянии в случае близкого залегания уровня грунтовых вод, так как вода существенно уменьшает трение между частицами и оказывает на них взвешивающее воздействие.
Зависимость осадки от крупности песков обратная – чем крупнее пески, тем меньше осадка. По этой закономерности осадка на крупнообломочных грунтах – гравии, галечниках, щебне – еще меньше, чем на песках. Зависимость от пористости – прямая, - чем больше пористость, тем больше осадка. Абсолютные значения осадок на песчаных основаниях обычно невелики и в условиях статических нагрузок не превышают первых сантиметров. В тех случаях, когда пески испытывали одновременно вибрационно-динамические нагрузки, отмечены ситуации, когда осадки составили первые десятки сантиметров.
Осадки на глинистых грунтах значительно больше, чем на скальных и песчаных грунтах в связи с их иным составом, сложением и типом связей между частицами. Во-первых, глинистые породы обладают большей пористостью и влажностью, нежели песчаные грунты.
Даже тугопластичные и твердые глинистые породы имеют влажность, достигающую первых десятков процентов. Во-вторых, покрытые оболочкой прочно и рыхлосвязанной воды глинистые частицы легче смещаются друг относительно друга и уменьшают сцепление между песчаными и пылеватыми частицами, тоже входящими в состав грунта. В отличие от скальных и песчаных грунтов, в которых осадка происходит практически мгновенно, сжатие глинистых грунтов происходит в два этапа. Большая часть осадки приходится на период строительства, а меньшая растягивается на годы уже после его завершения.
Процесс, происходящий в грунтах в продолжение второго этапа, получил название консолидации и заключается в доуплотнении глинистого грунта за счет отжима из него свободной и связанной воды. Суммарные осадки под сооружениями, выстроенными на глинистых грунтах, составляют в большинстве случаев несколько сантиметров.
Развитие осадочных деформаций на слабых грунтах в целом похоже на аналогичные процессы в глинистых породах, только значительно превосходит их по абсолютным величинам, достигая десятков сантиметров. По этой причине на слабых грунтах обычные бетонные или кирпичные сооружения не строятся.
При освоении территорий слабые грунты обычно удаляются бульдозером или экскаватором, так как их мощность обычно не превышает нескольких метров, и основание возводимого сооружения размещается на залегающих ниже более плотных грунтах. В отдельных случаях на слабых грунтах возможно строительство сооружений, способных переносить крупные деформации – земляных насыпей, дамб, плотин, хозблоков, бытовок, гаражей, небольших ангаров и т.п.