Основные методы устройства оснований и фундаментов на лессовых просадочных грунтах Алтайского края

Г.И. Швецов, д.г.-м.н., профессор, чл.-корр. РААСН; Г.С. Меренцова, д.т.н., профессор, Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова (Барнаул)

В настоящем и последующем выпусках журнала публикуется блок статей, освещающих историю, области применения методик оценки несущей способности лёссовидных грунтов, а также направления дальнейшего их совершенствования. Нарастающие интенсивность освоения и масштабы индустриального развития восточных регионов страны выдвинуло в число особенно важных и актуальных задачу более глубокого и всестороннего изучения природы деформируемости лёссовидных грунтов под нагрузкой. Эти знания и закономерности важны для целей строительства на этих грунтах зданий и сооружений с различными типами фундаментов и оснований, а также могут быть полезны для определения несущей способности грунтов и безопасного передвижения по ним тяжелого горного оборудования.

063

Представлены результаты исследований структурных особенностей лёссовидных грунтов с целью получения корреляционных зависимостей изменения структурной прочности под влиянием техногенного воздействия и их учете при установлении осадок фундаментов зданий и сооружений.

В статьях отражены результаты исследований, проведенных учеными и научными сотрудниками Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, Сибирской государственной геодезической академии, Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, Бийского технологического института с участием главных специалистов ОАО «Алтай ТИСИз» и ООО «Жилищная инициатива».

Оценивая весь период развития строительства на лёссовых просадочных грунтах, можно выделить три основных этапа. Первый этап относится к периоду до 1960 года, характеризуется незначительным объемом капитального строительства на лёссовых просадочных породах и применением, в основном, отдельных конструктивных мероприятий без специальной, как правило, подготовки оснований.

В ряде случаев территории, сложенные лёссовыми просадочными породами, старались обходить и не использовать в качестве оснований зданий и сооружений. В это время началось изучение инженерно-геологических свойств лёссовых пород в целях разработки фундаментов и оснований, обеспечивающих на таких грунтах устойчивость зданий и инженерных сооружений (см. табл., п/п 1).

Второй этап охватывает период 1960–70-х годов, и рассматривается как начало интенсивного использования лёссовых пород в качестве оснований зданий и сооружений. В этот период усилия исследователей направлялись на дальнейшее изучение инженерно-геологических особенностей лёссовых просадочных пород.

В связи с расчетом оснований зданий и сооружений по II группе предельных состояний (деформациям), появилась острая необходимость в определении достоверных величин прочностных и деформационных характеристик лёссовых пород. С учетом ранее проведенных исследований, стало возможным статическое обобщение этих величин, в первую очередь, для крупнонаселенных пунктов.

Началось изучение и систематизация инженерно-геологических условий территорий, сложенных лёссовыми просадочными породами. Исходя из физико-геологических процессов, геоморфологических и гидрогеологических условий, было выполнено инженерно-геологическое районирование Степного Алтая, Барнаула.

В 1972 году в Барнауле состоялось научно-техническое совещание, которое обобщило опвт проектирования и строительства на лёссовых просадочных породах в 1960–70-х годах. В районах Барнаульского Приобья при мощности просадочной толщи до 5 м рекомендовались следующие методы устройства оснований и фундаментов (см. табл., п/п 2).

1. Уплотнение лёссовых грунтов тяжелыми трамбовками на глубину 1.5–2.5 м при оптимальной влажности. Последняя для маловлажных грунтов создавалась путем предварительного замачивания.

2. Послойное уплотнение лёссового грунта с устройством грунтовой подушки. При необходимости создания зоны из уплотненного просадочного грунта толщиной 5–6 м применялось уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками в сочетании с устройством грунтовой подушки.

3. Свайные фундаменты из забивных призматических железобетонных свай сечением 30;30 см и 35;35 см и длиной 7–11 м, как правило, с прорезкой просадочной толщи и опиранием на непросадочные грунты. В отдельных случаях применялись порамидальные железобетонные сваи длиной до 5 м и сечением в голове до 70;70 см.

При мощности просадочной толщи более 5 м применялись более сложные способы устройства фундаментов и оснований:

1) Свайные фундаменты из призматических железобетонных свай с обязательной прорезкой просадочной толщи.

2) Глубинное уплотнение всей просадочной толщи путем устройства грунтовых свай.

3) Предварительное замачивание грунтов оснований с тщательным промачиванием всей просадочной толщи и последующим устройством ленточных фундаментов с монолитной железобетонной лентой.

Технико-экономическое сравнение вариантов оснований и фундаментов с учетом отработанной технологии производства работ расхода стали, бетона, трудоемкости, сметной стоимости показало, что рациональной конструкцией являются ленточные фундаменты на основании, уплотненном тяжелыми трамбовками.

Третьим этапом в развитии фундаментостроения на лёссовых просадочных грунтах юга Западной Сибири можно считать период 1970 г. и по настоящее время. Определенным этапом оценки применяемых методов устройства оснований и фундаментов явилась республиканская научно-техническая конференция, состоявшаяся в г. Барнаул в октябре 1980 г.

На третьем этапе значительное внимание стало уделяться инженерно-геологическому районированию юга Западной Сибири. Оно развивалось по двум направлениям. Первое из них – составление инженерно-геологических карт наиболее крупных городов или карт распространения отдельных видов грунтов, в том числе и лёссовых пород, представляющих особый интерес как основания зданий и сооружений (см. табл., п/п 3, 4). В этом случае обобщаются не только аналогичные инженерно-геологические условия, но и представляется возможность создать региональные таблицы физикомеханических свойств с использованием их при проектировании оснований и фундаментов.

Это определило второе направление по обобщению инженерно-геологических условий, в результате были разработаны региональные таблицы прочностных и деформационных характеристик лёссовых просадочных грунтов Новосибирского и Барнаульского Приобья. Ценность таких обобщений не вызывает сомнений. Они позволяют не только наиболее полно учесть и использовать особенности инженерно-геологических условий, но и на их основе разработать рациональные конструкции оснований и фундаментов.

В начале восьмидесятых годов появились первые предложения по устройству буронабивных свай в лёссовых просадочных грунтах. Это было обусловлено тем, что несущая способность призматических железобетонных свай по грунту в 2–3 раза меньше несущей способности по материалу.

Этот недостаток устранялся применением буронабивных свай с уширенной пятой.

В последнее время буронабивные сваи стали применяться более широко в просадочных грунтах I и II типа (ТЭЦ-3 в г. Барнауле, Алтайский коксохимический завод и др.). Среди традиционных методов устройства оснований и фундаментов наибольшее распространение получили ленточные фундаменты с опиранием на уплотнённые лёссовые грунты, свайные фундаменты с опиранием на непросадочные грунты, сплошные фундаментные плиты.

Более широко стали применяться фундаменты в вытромбованных котлованах. Применение таких фундаментов в районах Приобья позволило передавать нагрузки на них в 1000–1200 кН в условиях полного замачивания просадочных грунтов.

В г. Барнауле при строительстве комплекса сооружений ТЭЦ-3 применены буроиньекционные сваи диаметром 400 мм и длиной до 40 м. По данным института «Алтайгражданпроект», стоимостные показатели наиболее распространенных вариантов фундаментов и оснований из лёссовых просадочных грунтов распределяются следующим образом:

Таким образом, самым экономичным вариантом является вариант №3 – фундаменты мелкого заложения на уплотненном тяжелыми трамбовками основании. Наиболее высоким по стоимости является вариант фундаментов глубокого заложения.

В последние годы встали новые проблемы по эксплуатации построенных зданий на лёссовых просадочных грунтах, э то имеет особое значение. Процесс подтопления вызывает резкое снижение прочностных и деформационных характеристик, при этом возникает дополнительная просадка, разрушение канализационных колодцев, деформации дорожных покрытий и т. д. К сожалению, аварийные состояния зданий и сооружений на лёссовых грунтах возникают не только за счет подтопления территорий.

Существующие методы устройства оснований и фундаментов страдают определенными недостатками. Уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками является, как правило, сезонным видом работ. Выполненное осенне-зимнее уплотнение лёссовых пород зачастую отличается невысоким качеством и приводит к появлению недопустимых деформаций. Многослойное уплотнение из-за отсутствия резерва в городской черте часто оказывается невозможным и диктует необходимость ранее принятых решений.

К числу основных дефектов, имеющих место при проектировании и строительстве зданий и сооружений на просадочных грунтах можно отнести следующие:

1. Дефекты, обусловленные ошибками при проведении инженерно-геологических изысканий.

2. Несоблюдение технических условий на производстве строительно-монтажных работ, особенно в зимнее время.

3. Уплотнение лёссовых просадочных грунтов при однослойном и многослойном способе уплотнения имеет ряд недостатков (далеко не всегда грунты имеют оптимальную влажность, при которой достигается наибольший эффект уплотнения; зачастую в пределах одной строительной площадки имеет место значительное колебание влажностью; узким местом остается метод контроля качества уплотнения грунтов, особенно в зимнее время).

4. Опыт эксплуатации зданий, сооружений на лёссовых просадочных грунтах свидетельствует о том, что основной причиной деформации является неравномерная просадка основания, возникшая в результате замачивания (чаще всего источником замачивания являются водопровод, канализация и иногда поверхностные воды).

В основном, деформации подвергаются здания и сооружения, возведенные на ленточных фундаментах. Дома, построенные на свайных фундаментах, ведут себя более устойчиво. Примеры аварийных состояний зданий и сооружений в районах Барнаульского Приобья свидетельствуют о том, что свойства лёссовых просадочных грунтов и, особенно, их поведение под нагрузкой и замачиванием, изучены недостаточно.Только в Барнауле за последние годы около двадцати зданий, построенных на лёссовых просадочных грунтах, оказались в деформированном состоянии.

К сожалению, количество случаев деформации зданий и сооружений на лёссовых грунтах, находятся в аварийном состоянии, не уменьшается. Поэтому поиск новых, более совершенных теорий прочности и деформируемости лёссовых пород и создание на этой основе новых конструкций фундаментов, является важной задачей ученых, проектировщиков и строителей.

Журнал "Горная Промышленность" №5 (87) 2009, стр.66