Свайные фундаменты с монолитным ростверком. Условия применения свайных фундаментов и их конструирование. Фундаменты на вечномерзлых грунтах.

В практике современного строительства применение свайных фундаментов из сборных железобетонных свай и набивных опор оказывается целесообразным в зданиях и сооружениях, передающих значительные нагрузки на основание.

Если на строительной площадке возможно возникновение значительных неравномерных осадок, вызывающих дополнительные усилия в надземных конструкциях, то для их уменьшения также может быть рекомендовано устройство свайных фундаментов. Одновременно может быть достигнута существенная экономия материальных средств, так как вместо фундаментов со значительными размерами в плане можно ограничиться небольшим количеством свай.

При условии залегания на значительной глубине грунтов, которые могут быть использованы в качестве оснований, как правило, применяют свайные фундаменты, которые способны передать нагрузки на большие глубины по сравнению с фундаментами, возводимыми в открытых котлованах.

Кроме того, свайные фундаменты часто применяют в случаях, когда возведение фундаментов в открытых котлованах нерационально из-за большого объема земляных работ, высокого расположения уровня подземных вод и связанной с этим необходимостью выполнения дорогостоящих работ по искусственному водопониже-нию, а также больших затрат на крепление стенок котлованов или необходимостью сохранения природной структуры грунтов. Экономический эффект получают в основном за счет уменьшения объемов земляных работ и существенно большего уровня индустриализации при свайных работах по сравнению с монтажом фундаментных блоков. Однако условия применения свайных фундаментов должны быть экономически обоснованы на основании технико-экономического сравнения вариантов проектных решений.

Рис. 10.9. Схема передачи нагрузки на грунт в основании свайного и обычного фундаментов: 1 — область сжатия грунтов основания


Рис. 10.10. Конструкция соединения свай с ростверком при свободном соединении: а — квадратных свай с монолитным ростверком; б — то же, с полой круглой сваей; в — сопряжение с монолитным ростверком с помощью сборного оголовка; г — сопряжение квадратной сваи со сборной колонной с помощью сборной насадки; д, е — сопряжение полых круглых свай со сборными колоннами; 1 — монолитный ростверк; 2 — бетонная подготовка; 3 — заполнение бетоном; 4 — заполнение полости сваи грунтом; 5 — полая круглая свая; 6— сборный оголовок; 7 — свая с квадратным поперечным сечением; 8 — колонна; 9 — сборная железобетонная насадка


Рис. 10.11. Конструкции соединения свай с ростверком при жестком соединении: а — квадратной сваи с монолитным ростверком; б — то же, полой круглой сваи; « — квадрат-вой сваи с помощью сборного железобетонного оголовка; г — квадратной сваи со сборным ростверком; д — то же, полой круглой сваи; 1 — монолитный ростверк; 2 — выпуски арматуры; 3 — бетонная подготовка; 4 — свая квадратного поперечного сечения; 5 — полая круглая свая; 6 — сборный ростверк; 7 — заполнение бетоном


Используя свайные фундаменты, необходимо иметь в виду, что в зависимости от ширины ростверка и соотношений между его шириной и длиной свай условия работы грунтов будут разными. Чем шире ростверк, тем менее (при одинаковых длинах свай) эффективны свайные фундаменты. Сравнивая работу свайного фундамента с широким ростверком с работой фундамента, возводимого в открытом котловане, оказывается, что объем грунта, включающийся в работу в первом и втором случаях, мало отличаются друг от друга (рис. 10.9, а) для одного и того же сооружения. Под узким фундаментом при длинных сваях объемы грунта приблизительно одинаковы, но в свайном фундаменте в работу включаются более глубокие слои грунта, имеющие, как правило, меньшую сжимаемость (рис. 10.9, б) и более высокую несущую способность.

Конструкция сопряжения свай с ростверком во многом определяется характером передаваемых на сваю усилий, а также конструкциями ростверка и свай.

Примеры конструктивного решения сопряжения свай с различными типами ростверка при свободном соединении показаны на рис. 10.10, а при жестком соединении на рис. 10.11. Соединение бурона-бивных свай с несущими конструкциями показано на рис. 10.12.

Рис. 10.12. Конструкции соединений набивных свай с колоннами:

с помощью монолитного оголовка; б — с помощью сборной насадки; 1 — колонна; 2 — монолитный оголовок; 3 — бетонная подготовка; 4 — набивная свая; 5 — сборная насадка

Вечномерзлыми называют грунты, сохраняющиеся в мерзлом состоянии в течение многих лет. Такие грунты распространены на значительных территориях СССР, Канады, Аляски, Антарктиды и занимают около четвертой части всей суши планеты. В СССР они занимают около половины территории страны, преимущественно в северных и северо-восточных ее районах, где залегают сплошным массивом на глубину до 500 м, а местами и более. Южнее этих  районов  мощность толщи  вечномерзлых грунтов уменьшается, в отдельных местах появляются острова талых грунтов (талики). Встречаются мерзлые грунты с талыми прослойками, а также в виде отдельных островков или линз, окруженных талым грунтом.

Мерзлые грунты по их состоянию подразделяют на твердомерзлые, пластично-мерзлые и сыпучемерзлые. Твердомерзлыми называют песчаные и глинистые грунты, прочно сцементированные льдом. Такие грунты характеризуются относительно хрупким разрушением и практически несжимаемы под воздействием нагрузок от сооружений. Твердомерзлое состояние наступает при температуре ниже — 0,3 ° С для мелких и пылеватых песков, —0,6° С для супесей, — 1 ° С для суглинков и —1,5 ° С для глин. При более высокой температуре (но ниже 0  °С), когда в порах грунтов сохраняется еще много незамерзшей воды, мерзлые грунты обладают вязкопластичными свойствами и заметно деформируются под воздействием нагрузок от сооружений. Такие грунты называют пластично-мерзлыми. Если грунты с отрицательной температурой из-за малой влажности не сцементированы льдом, как, например, почти сухие пески и крупнообломочные грунты, их называют сыпучемерзлыми.

Обычно в мерзлых глинистых грунтах всегда содержится от 5 до 40% по массе незамерзшей воды — в зависимости от температуры грунта.

В процессе замерзания грунтов их влажность изменяется вследствие подсоса воды замерзающими слоями. Это явление, называемое миграцией влаги, приводит к переувлажнению верхних слоев и, как следствие, к пучению многих грунтов. Последнее объясняется особенностью взаимодействия с мелкими частицами грунта воды, которая при замерзании увеличивается в объеме до 9%.
Пучению подвержены глинистые, мелкие и пылеватые песчаные, а также крупнообломочные грунты, содержащие 10% и более по массе частиц размером менее 0,1 мм или свыше 3% частиц размером менее 0,02 мм. Увеличение объема таких водонасыщенных грунтов при их замерзании может достигать десятков процентов. Вследствие этого происходит выпучивание (поднятие) поверхности грунтов. Если свободному выпучиванию препятствуют фундаменты прорезающие сезоннопромерзающий слой и заделанные в нижележащую толщу грунтов, то на контакте промерзающего слоя с боковой поверхностью фундаментов возникают касательные силы морозного пучения, стремящиеся выдернуть (приподнять) фундаменты. По данным

отечественных и зарубежных исследований значения касательных сил морозного пучения в зависимости от свойств грунтов, степени их влажности и глубины промерзания изменяются от 60 до 200 кПа, а в отдельных случаях до 300 кПа. Меньшие значения касательных сил выпучивания соответствуют условиям постройки фундаментов зданий и сооружений на маловлажных грунтах, более высокие — в местах большого увлажнения грунтов.

Основные свойства мерзлых грунтов зависят главным образом от характера ледяных связей между минеральными частицами. Количество и температура замерзшей воды оказывают решающее влияние на прочность, деформируемость, теплоемкость и другие физико-механические характеристики мерзлых грунтов. Например, при повышении температуры от —4 до —0,3 ° С расчетные сопротивления мерзлых грунтов разных видов уменьшаются в 2—5 раз. Сыпучемерзлые и монолитные скальные грунты вследствие их малой влажности почти не меняют показателей механических свойств при повышении отрицательной температуры вплоть до перехода к положительной.

Температура вечномерзлых грунтов в основаниях может повышаться вследствие изменения климатических условий, сезонных колебаний температуры воздуха, теплового влияния фундаментов, нарушения природных условий в период производства работ. Повышение температуры вечномерзлых грунтов, связанное с естественными изменениями климата и геологическими процессами, происходит весьма медленно и поэтому при проектировании и строительстве фундаментов не учитывается. Сезонные колебания температуры воздуха оказывают существенное влияние на ежегодные изменения температуры вечномерзлых грунтов примерно до глубины 10 м. На этой глубине и ниже температура мерзлых грунтов почти не изменяется в течение всего года, поэтому ее принимают за среднегодовую и определяют расчетом по данным инженерных изысканий (с учетом теплового влияния фундаментов построенного сооружения на температуру вечномерзлых грунтов). Наиболее значительное повышение температуры вечномерзлых грунтов и связанное с ним увеличение глубины их оттаивания происходит в местах повреждения или полного удаления растительного покрова, особенно в местах, где в естественных условиях мерзлые грунты залегали неглубоко от поверхности, например на маревых участках.
Если в результате значительного повышения температуры происходит увеличение глубины сезонного оттаивания сильнольдистых вечномерзлых грунтов или включений подземного льда по сравнению со средней многолетней, то образуются провальные впадины рельефа различной формы, большей частью заполненные водой, называемые термокарстом.

В районах залегания вечномерзлых грунтов нередко встречаются подземные воды, которые подразделяют на следующие виды: надмерзлотные, находящиеся в толще немерзлого грунта, расположенного над поверхностью вечномерзлых грунтов; межмерзлотные, движущиеся по талым слоям в толще вечномерзлых грунтов; подмерзлотные, находящиеся ниже толщи таких грунтов. В местах уменьшения живого сечения потока надмерзлотных или поверхностных вод при сезонном их промерзании в ряде случаев образуются наледи.

Все перечисленные выше характерные особенности вечномерзлых грунтов требуется учитывать при проектировании и строительстве сооружений разного назначения, включая мосты.