Особенности закрепления просадочных грунтов под свайными фундаментами
Прокопова М.В., Гриненко А.И., Прокопов А.Ю. Особенности закрепления просадочных грунтов под свайными фундаментами // Известия ТулГУ. Haуки o Земле. 2025. Вып. 2
Введение
Основной целью безопасной эксплуатации зданий и сооружений является обеспечение надёжности, устойчивости и долговечности, которая достигается надежностью работы несущих строительных конструкций и оснований фундаментов. Для недопущения появления дефектов в здании необходимо обеспечить надежную совместную работу основания и фундаментов, не превышая предельно допустимых деформаций [1].
На этапе проектирования конструкции фундаментов принимаются на основании анализа конструктивной схемы здания, инженерно-геологических условий, с учетом свойств грунтов и их особенностей. Особое внимание при проектировании зданий и сооружений требуют специфические грунты: просадочные, набухающие, засоленные, органоминеральные и органические, элювиальные, насыпные, намывные, пучинистые и другие, требующие специальных подходов и методов в проектировании оснований, включая их закрепление и армирование грунта [2].
Для юга России и Ростовской области характерно распространение просадочных грунтов [3, 4], особенностью которых является развитие дополнительных деформаций при замачивании, в виде просадки от внешней нагрузки и (или) собственного веса грунта. К основным характеристикам просадочных грунтов относятся:
– относительная деформация просадочности εsl, (сжатие грунта при повышении его влажности);
– начальное просадочное давление psl (минимальное давление от внешней нагрузки, в котором при полном водонасыщении образуется просадка);
– начальная просадочная влажность Wsl (влажность, при которой начинается просадка грунта под действием внешней нагрузки и собственного веса).
При проектировании оснований, сложенных просадочными грунтами, следует учитывать повышение влажности изза природного или техногенного замачивания грунтов или накопления влаги, а также предусматривать мероприятия, направленные на недопущение замачивания грунтов. С учетом наличия просадочных грунтов выбирается тип фундамента, в т. ч. с прорезкой толщи просадочных грунтов свайными фундаментами или обосновывается необходимость устранения просадочных свойств в основании фундаментов. В каждом конкретном случае рассматриваются возможные варианты и на основании техникоэкономического сравнения принимаются проектные решения [2, 5].
Основная часть
Часто при выборе проектного решения по основанию и фундаментам зданий на просадочных грунтах производят технико-экономическое сравнение между 2 вариантами: 1) использование свайных фундаментов с прорезкой всей просадочной толщи и заглублением нижних концов свай в непросадочный грунт; 2) использование фундаментов мелкого заложения (плитных, столбчатых и даже ленточных) с устройством искусственных оснований, чаще всего из грунтов, закрепленных различными инъекционными методами. Выбор первого или второго варианта зависит в основном от мощности просадочной толщи, нагрузки от здания, прогноза изменения гидрогеологических условий, степени агрессивности грунтов, подземных вод и других факторов.
Несмотря на то, что наиболее надежным, как по фактору контролируемости несущей способности, так и по фактору долговечности, считается свайный фундамент, не всегда его применение обеспечивает длительную безопасную и безаварийную эксплуатацию зданий и сооружений. В подобной практике в г. Ростове-на-Дону и Ростовской области в условиях просадочных грунтов, возникали случаи неравномерных осадок и деформаций объектов даже на свайных фундаментах.
При проектировании свайных фундаментов на просадочных грунтах расчетным состоянием основания по влажности является полное водонасыщение грунта. Изза снижения прочностных характеристик и повышения сжимаемости просадочных грунтов при их замачивании несущая способность свай существенно снижается. Несущую способность свай в просадочных грунтах определяют статическими испытаниями вертикальной вдавливающей и горизонтальной нагрузкой или по результатам статического зондирования в условиях полного водонасыщения грунта. При определении несущей способности свай расчетным путём учитывается расчетное сопротивление по боковой поверхности свай с учетом сил отрицательного трения, которые возникают при просадке грунтов.
Для достижения заданной несущей способности необходимо, чтобы сваи полностью прорезали просадочные грунты и опирались на подстилающие слои более высокой плотности (рис. 1, а). На рисунке показан фрагмент инженерногеологического разреза, совмещенного с разрезом здания. Свайные фундаменты под колоннами прорезают просадочные грунты – ИГЭ1 (суглинки просадочные) и опираются на непросадочные грунты ИГЭ2 (суглинки тяжелые, полутвердой консистенции).
Согласно п. 9.3 СП 24.13330.2021, свайные фундаменты на территориях с просадочными грунтами при возможности замачивания грунтов следует применять в случаях, когда возможна прорезка сваями всех слоев просадочных грунтов, прочностные и деформационные характеристики которых снижаются при замачивании. Нижние концы свай должны быть заглублены в скальные грунты, пески плотные и средней плотности и глинистые грунты с показателем текучести в водонасыщенном состоянии:
- IL < 0,6 – для всех видов свай в грунтовых условиях I типа;
- IL < 0,4 – для забивных свай и IL < 0,2 – для буронабивных свай при Ssl,g ≤ Su в грунтовых условиях II типа;
- IL < 0,2 – для забивных свай и IL ≤ 0 – для буронабивных свай при Ssl,g > Su в грунтовых условиях II типа (где Ssl,g – просадка от собственного веса грунта с учетом подсыпки или другой пригрузки его поверхности, Su – допустимая осадка фундамента).
Заглубление свай в указанные грунты должно назначаться по расчету путем проверки условия, что осадка сваи не превышает предельную осадку Su, и условия обеспечения требуемой несущей способности сваи. При этом принимают наибольшее из полученных значений заглубления сваи. Для повышения несущей способности грунтов и устранения отрицательного трения, можно устранить просадочные свойства грунтов в пределах его толщи, например, закреплением грунтов методом цементации (рис. 1, б).
Данный метод усиления грунтов регламентирован п. 6.9.2 СП 22.13330.2016 и основан на инъецировании в грунт через предварительно пробуренные скважины различных составов и растворов, чаще всего цементного или цементно-песчаного. Данный метод позволяет в короткие сроки и значительно дешевле альтернативных методов, устранить просадочные свойства грунтов увеличить несущую способность основания фундаментов даже в условиях увеличения влажности грунтов.
Наиболее распространен и исследован указанный метод для фундаментов мелкого заложения [2, 3, 5]. В настоящей работе рассматривается возможность применения указанного метода при реконструкции или капитального ремонта зданий и сооружений, имеющих свайные фундаменты. Эффект закрепления грунтов в данном случае будет достигаться за счет ликвидации или снижения просадочных свойств грунтов, вследствие чего значительно уменьшаются или полностью устраняются силы отрицательного трения, действующие по боковой поверхности. За счет уплотнения грунтов вокруг свай может повышаться сила трения, и как следствие, их несущая способность. При нагнетании закрепляющих составов под нижние концы свай, увеличивается также модуль деформации в зоне условного фундамента, тем самым можно снизить или не допустить дополнительную осадку, например, в случае необходимости увеличения нагрузки на сваю, или в случае разуплотнения грунтов под концами свай вследствие химической, механической суффозии и других опасных процессов.
В случае значительной мощности просадочных грунтов возможно расчетным методом подобрать толщину закрепляемого массива таким образом, чтобы обеспечить требуемую несущую способность свай и минимальные деформации основания (рис. 2). На рис. 2, а, приведен вариант с закреплением только основания свай, на рис. 2, б – вариант с закреплением всей просадочной толщи.
Для наглядности рассмотрим конкретный пример (рис. 2) из практики разработки проекта реконструкции большепролетного здания в г. Ростове-на-Доне, подвергшегося неравномерным деформациям свайного фундамента и получившим значительные дефекты несущих и ограждающих конструкций.
Сваи забивные, висячие, прямоугольного сечения 0,3×0,3 м, длиной 7,0 м. В ростверке 5 свай, расположенных в шахматном порядке. По данным инженерно-геологических изысканий и компрессионных испытаний грунтов просадочными свойствами обладают суглинки ИГЭ1, распространенные до глубины 14,60 м. Просадка грунта под действием собственного веса при замачивании составляет 17,45 см. Тип грунтовых условий по просадочности – II. Естественным основанием для свайных фундаментов служат просадочные суглинки ИГЭ1 с модулем деформации в естественном состоянии 16,8 МПа, при водонасыщении – с модулем деформации 9,5 МПа.
Здание было построено по типовому проекту в 1967 г., когда не действовали современные нормы в отношении проектирования и строительства на просадочных грунтах, поэтому длина и сечения свай принимались без учета возможной реализации просадочных свойств и возникновения отрицательных сил трения. Принятая длина свай (около 5 м) не обеспечивала прорезку всей просадочной толщи, мощность которой была неравномерной и достигала 10 м и более. Таким образом, за длительный (около 55 лет) период эксплуатации объекта, произошли существенные деформации, что потребовало не только усиления наземных несущих конструкций, но и свайных фундаментов, и грунтов в основании здания. Закрепление просадочных суглинков ИГЭ1 принято методом цементации, получившим наиболее широкое распространение в Ростовской области [2, 5, 6]. Сравним два способа закрепления массивов разной мощности:
- 1я схема (рис. 2, а) – закрепление предусмотрено так, чтобы нижняя часть сваи была заглублена на 1 м в закрепленный массив, а также обеспечивалось закрепление грунтов под телом сваи до максимальной глубины распространения просадочных грунтов;
- 2я схема – закрепление всей просадочной толщи, в том числе вокруг тела свай (рис. 2, б).
Объем нагнетания уплотняющего песчаноцементного раствора рассчитывается, исходя из необходимости ликвидации просадочных свойств грунтов, повышения несущей способности грунтов основания и исключения неравномерных осадок здания в ходе его дальнейшей эксплуатации. После выполнения работ в основании фундаментов создаются армированные несущие массивы, которые представляют собой природнотехногенный композит с высокой степенью жесткости и хаотической структурой, в котором в качестве матрицы выступает уплотненный грунт, а в качестве жестких включений – затвердевший песчаноцементный раствор.
Проектные характеристики закрепленных грунтов должны составить:
– плотность ρII = 1,89 см3;
– удельное сцепление СII=19 кПа,
– угол внутреннего трения φII = 22°,
– модуль деформации в водонасыщенном состоянии EwII = 16 МПа.
В таблице приведены результаты расчета несущей способности одиночной сваи для естественных условий и для двух исследуемых схем в соответствии со стандартными методикам СП 24.13330.2021 [7]. Также выполнены расчеты осадок одиночной сваи и осадок свайного куста с учетом просадки.
Выводы
По результатам расчета установлено, что в просадочных грунтах вокруг сваи возникают силы отрицательного трения, которые значительно снижают несущую способность сваи и свайного фундамента. Закрепление грунтов (или устранение просадочных свойств) в пределах нижней части сваи и под телом сваи дает эффект, но незначительный. Закрепление грунтов на всю мощность просадочной толщи вокруг тела сваи и под нижним ее концом приводит к увеличению несущей способности свай и снижению осадки свайного фундамента. Как видно из таблицы, в приведенных условиях наиболее целесообразно выполнять закрепление грунтов на всю просадочную толщу, что и было реализовано на практике на основании расчетов и рекомендаций авторов. Для принятия решения о целесообразности и эффективности закреплении грунтов под свайными фундаментами при реконструкции или капитальном ремонте зданий, подобный анализ необходимо проводить в каждом конкретном случае, в зависимости от характеристик здания и инженерно-геологических условий.
Список литературы
- Причины деформации и осадок зданий и сооружений / Д.О. Дмитриченко, А.Ю. Дубинина, Д.А. Бабенко, В.И. Куштин // Сб. науч. тр. Инновационные технологии в строительстве и управление техническим состоянием инфраструктуры: VI Всерос. нац. науч.практич. конф., Ростов-на-Дону, 27–28 февраля 2024 года. Ростов-на-Дону: РГУПС, 2024. С. 173–175.
- Комплексный подход при выборе проектных решений по усилению грунтовых оснований при реконструкции зданий в Ростовской области / А.Ю. Прокопов, А.А. Михайлов, М.С. Кирсанов, Т.Н. Жильникова // Инженерный вестник Дона. 2020. № 4(64). С. 30.
- Янгляева Э.Р., Мирзоян А.Э., Прокопова М.В. Обоснование закрепления грунтов под фундаментами здания школы в Г. РостовенаДону // Сб. науч. тр. Инновационные технологии в строительстве и управление техническим состоянием инфраструктуры: VI Всерос. нац. науч.практич. конф., 27–28 февраля 2024 г. РостовнаДону: РГУПС, 2024. С. 156–160.
- Прокопова М.В., Прокопов А.Ю., Жур В.Н. Исследование свойств лессовых просадочных грунтов Восточного Донбасса // Сб. науч. тр. Транспорт: наука, образование, производство: междунар. науч. практич. конф., Ростов-на-Дону, 18–21 апреля 2017 года. Том 2. Ростов-на-Дону: РГУПС, 2017. С. 354–358.
- Прокопова М.В., Прокопов А.Ю., Жур В.Н. Усиление просадочных грунтов под существующей застройкой г. РостованаДону // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения. 2016. № 4. С. 79–87.
- Анализ проектов закрепления грунтовых оснований при строительстве зданий образовательных учреждений в Ростовской области / А.Ю. Прокопов [и др.] // Инженерный вестник Дона. 2018. № 4(51). С. 255.
- Radon Emanation and Dynamic Processes in Highly Dispersive Media / V.B. Zaalishvili [et al.] // Geosciences, 2024. 14. 102.
Прокопова Марина Валентиновна, канд. техн. наук, доц., sun210872@yandex.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения,
Гриненко Анастасия Ивановна, лаб., anastasia.grinenko14@yandex.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения,
Прокопов Альберт Юрьевич, др техн. наук, проф., зав. кафедрой, prokopov72@rambler.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет