§ 32. Выбор глубины заложения фундамента
Оценка геологических и гидрогеологических условий
Анализируя исходные данные, необходимые для выбора минимально допустимой глубины заложения и типа экономичного фундамента, следует учитывать, что одинаковые инженерно-геологические условия и процессы могут по-разному влиять на состояние и работу различных по типу и конструкции фундаментов и сооружений в целом. В свою очередь, постройка сооружений и последующая их эксплуатация могут изменять характер и интенсивность проявления этих процессов.
Известно, что под влиянием сотрясений, возникающих при действии динамических нагрузок, например, сейсмических воздействий, уменьшается сопротивление грунтов сдвигу, увеличиваются осадки фундаментов, нарушается устойчивость грунтовых массивов.
Неблагоприятное влияние на основания оказывают не только механические воздействия. Подтопление ранее устойчивых склонов после отсыпки насыпи и постройки опор может вызвать их оползание. Из-за оттаивания вечномерзлых грунтов в основании в ряде случаев появляются не предусмотренные проектом осадки и перекосы фундаментов.
Чтобы исключить возможность появления недопустимых (по условиям нормальной эксплуатации сооружений) деформаций оснований и фундаментов, проектировщики должны иметь достаточно полные, а главное, достоверные исходные данные и на основе их обеспечить правильную оценку влияния различных инженерно-геологических и других факторов на прочность, устойчивость и деформативность грунтовых оснований как во время строительства, так и в период эксплуатации сооружений. К этому следует добавить, что проектирование фундаментов значительно осложняется тем, что основание и фундамент при передаче нагрузок на грунт представляют единую систему, элементы которой состоят из материалов с резко различающимися физико-механическими свойствами. Так, фундаменты состоят из высокопрочных материалов (бетона и стали), физические и механические свойства которых почти не изменяются под воздействием природных факторов. Основанием же фундаментов являются грунты, имеющие значительно более низкие характеристики физико-механических свойств, которые могут изменяться под воздействием ряда природных факторов, в том числе влажности и плотности сложения. Из этого следует, что при выборе типа и глубины заложения фундаментов решающее значение имеют геологические условия, а именно характер напластования грунтов и показатели их прочности и деформируемости.
Рис. 6.1. Характерные схемы напластования (залегания) грунтов:
1 — слой или толща сильно сжимаемого грунта; 2 — то же, мало сжимаемого грунта
Несмотря на большое многообразие геологических условий, их можно свести к следующим характерным схемам напластования (залегания) грунтов: 1) толща сильно или мало сжимаемых грунтов на глубину, превышающую возможности заложения фундаментов современными способами, сложена однородными по составу и сжимаемости грунтами (рис. 6.1, а); 2) верхняя часть толщи сложена сильно сжимаемыми или скальными грунтами (рис. 6.1, б); 3) толща слоистая с согласным (рис. 6.1, в) или выклинивающимся (рис. 6.1, г) залеганием пластов из грунтов, мало или сильно отличающихся по степени сжимаемости и составу. Кроме перечисленных могут быть схемы с более сложным залеганием грунтов, но они встречаются значительно реже в фундаментостроении.
К сильно сжимаемым грунтам относятся рыхлые пески, глинистые грунты с показателем текучести 0,5 и больше, высокопористые глинистые грунты. К мало сжимаемым относятся плотные пески, твердые и полутвердые глинистые грунты.
При анализе результатов изысканий, выполненных в местах строительства фундаментов, в первую очередь оценивают особенности залегания слоев и физико-механические свойства грунтов каждого слоя с целью выбора несущего пласта и определения прочности и сжимаемости основания. В качестве несущего слоя или основания в целом лучше всего использовать скальные или мало сжимаемые грунты. Не рекомендуется опирать низ свай, оболочек, столбов или подошву опускных колодцев на сильно сжимаемые грунты.
В ряде случаев неблагоприятное влияние на прочность, устойчивость и деформируемость оснований может оказывать повышение или понижение уровня подземных вод в период эксплуатации сооружений. Так, при заполнении водохранилищ вблизи сооружений, построенных на просадочных или набухающих грунтах, возможно замачивание этих грунтов и, как следствие этого, снижение их несущей способности и появление большой, не предусмотренной проектом неравномерной осадки фундаментов. Подобная осадка может происходить, если подошвы фундаментов или низ их элементов оперты на мало сжимаемые грунты, а вышерасположенная большая толща грунтов уплотняется вследствие изменения уровня подземных вод и зависает на боковой поверхности фундаментов, создавая значительную дополнительную нагрузку, а следовательно, существенно снижая расчетную (полезную) несущую способность основания. При повышении уровня вод возможно уплотнение просадочных грунтов. Рыхлые песчаные грунты уплотняются при понижении уровня воды. Особенно большие дополнительные нагрузки на фундаменты могут возникать при значительном уплотнении грунтов оснований устоев, которые находятся в конусах высоких насыпей. При проектировании фундаментов опор на береговых склонах необходимо учитывать возможность появления оползней там, где их не было до постройки мостов. Оползни представляют собой массивы грунтов, сползшие или сползающие вниз по склону или откосу (искусственному склону) под воздействием силы тяжести, веса при-грузки, гидродинамического давления, сейсмических и других сил. Оползни чаще происходят на крутых склонах, берегах водохранилищ и рек. Оползанию способствует неблагоприятное чередование водоносных песчаных пластов с глинистыми грунтами или наличие подстилающих скальных трещиноватых и водоупорных глинистых грунтов, наклон кровли пластов и плоскостей трещиноватости в сторону падения склона, обводнение части или всего грунтового массива.
Возникают оползни, когда силы, сопротивляющиеся движению массива по склону, т. е. силы внутреннего сцепления и трения грунтов, становятся меньше сил, стремящихся сдвинуть массив.
В практике строительства сооружений разного назначения отмечены случаи оползания склонов в результате их пригрузки весом насыпи или сооружения; от значительного повышения или понижения уровня поверхностных вод, омывающих склон; от динамического воздействия сваебойных молотов или вибропогружателей в процессе строительства фундаментов; при подрезке основания склона; от вымывания пылеватых и песчаных частиц выходящими к подошве склона подземными водами и т. п. В перечисленных случаях во время изысканий и проектирования сооружений оползней, как правило, не наблюдалось. Они появляются позже, после начала или в период строительных работ, а нередко и в период эксплуатации сооружений. Из этого следует, что многие склоны, являющиеся потенциально оползнеопасными, могут быть устойчивы в течение длительного времени, если действие неблагоприятных факторов проявляется недостаточно интенсивно (например, при малой высоте насыпи, отсутствии подтопления склона) или когда склон обладает некоторым запасом устойчивости, который может уменьшаться постепенно.
Следует помнить, что каждый случай неправильной оценки устойчивости склонов при строительстве мостов приводит к дополнительным затратам в сотни тысяч рублей, связанным с устранением последствий оползания склонов вместе с опорами и примыкающими участками подходных насыпей.
В отдельных, к сожалению, еще нередко встречающихся случаях к проектированию фундаментов приступают, не имея достаточно полных и достоверных результатов инженерно-геологических изысканий, или же допускают непростительные погрешности при анализе исходных данных, например, недооценивают возможное уменьшение несущей способности и устойчивости грунтовых оснований в период эксплуатации сооружений в связи с увеличением пригрузки склонов, изменением уровней подземных и поверхностных вод, размывами дна водотоков и т. п. В случае обоснованного сомнения в достоверности данных или при недостаточной их полноте проектировщики обязаны требовать проведения дополнительных изысканий, поскольку их стоимость и трудоемкость в десятки, а иногда в сотни раз меньше по сравнению с затратами на ликвидацию аварий.
Основания и типы фундаментов выбирают в результате всестороннего анализа следующих, наиболее существенных факторов: особенностей конструкции моста, а также требований, предъявляемых к фундаментам в отношении допустимых величин осадок, кренов и перекосов; значения и характера нагрузок, воспринимаемых фундаментами; особенностей напластования грунтов и их физико-механических свойств; наличия подземных и поверхностных вод и их режима; наличия срезок, подсыпок и размывов дна водотоков; климатических условий; характерных особенностей местных условий; способов производства работ по строительству фундаментов; результатов технико-экономического сравнения вариантов фундаментов разных типов.
Выбор основания и связанное с ним назначение глубины заложения фундамента заключается в подборе несущего пласта грунта, который будет воспринимать давление от сооружения и передавать его на нижележащие подстилающие пласты слоистой толщи. При однородной (неслоистой) толще грунтов выбор основания сводится к определению необходимой глубины заложения фундаментов, при которой грунты воспринимают нагрузки от сооружения. Как в первом, так и во втором случаях осадки и крены фундаментов не должны превышать предельно допустимых значений.
Во всех случаях в качестве основания фундаментов стремятся принять мало сжимаемые или скальные грунты, а также грунты средней сжимаемости (песчаные грунты средней плотности сложения или тугопластичные глинистые грунты) (см. рис. 6.1, а, б).
Иногда основаниями свайных фундаментов являются сильно сжимаемые грунты (см. рис. 6.1, а) при условии обязательных полевых испытаний статической нагрузкой свай для уточнения их несущей способности.
Глубину заложения фундаментов назначают в зависимости от особенностей расположения несущего пласта грунтов и требований обеспечения предусмотренных проектом сооружения несущей способности и деформативности оснований и фундаментов в условиях неблагоприятного воздействия на них природных факторов, таких, как размыв дна водотоков у опор мостов, абразивное и агрессивное воздействие среды, промерзание и связанное с этим морозное пучение грунтов на суше.
Минимально допустимые заглубления низа фундаментов в основания в зависимости от характера и степени неблагоприятного воздействия природных факторов приведены в главах, освещающих вопросы проектирования фундаментов конкретных типов.
В большинстве случаев целесообразнее увеличивать глубину заложения элементов с целью опирания их низа на хорошие грунты, чем увеличивать число элементов меньшей длины, опертых на более слабые грунты.
При назначении глубины заложения фундаментов необходимо учитывать, что серийно выпускаемым в настоящее время оборудованием можно погрузить в разные покровные отложения, например в рыхлые пески или в пластичные связные грунты, призматические сваи на глубину до 24 м; полые железобетонные составные сваи на глубину до 40 м; стальные забивные сваи на глубину до 70 м; железобетонные оболочки на глубину до 50 м; буровые сваи на глубину до 40 м; опускные колодцы на глубину до 40 м. Глубина погружения перечисленных элементов в случае необходимости может быть увеличена, если применить более эффективное технологическое оборудование.
Тип и глубину заложения фундамента нужно выбирать на основании эскизного обследования разных вариантов по затратам труда и материалов, а также по стоимости.