Файл: Абелев М.Ю. Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания сооружений 8-й междунар. конгресс по механике грунтов и фундаментостроению.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 116
Скачиваний: 3
M.Ю. АБЕЛЕВ, доц. канд. техн. наук
СЛ А Б Ы Е В О Д О Н А С Ы Щ Е Н Н Ы Е
Г Л И Н И С Т Ы Е Г Р У Н Т Ы КАК ОСНОВАНИЯ СООРУЖЕНИЙ
МЕЖДУНАРОДНЫЙ
-4 К О Н Г Р Е С С — ПО МЕХАНИКЕ ГРУНТОВ у
И ФУНАДМЕНТОСТРОІНИЮ
М О С К В А , С Т Р О Й И З Д А Т — 1 9 7 3
УДК 624.15 : 624.131.22
Научный редактор — инж. H. М. Б о р щ е в с к а я |
|
||
А б е л е в |
М. Ю. Слабые водонасыщенные |
глинистые |
грунты |
как основания |
сооружений. М., Стройиздат, 1973, 288 с. |
|
|
В книге рассмотрены свойства слабых водонасыщепных |
грунтов |
||
и методы их определения. Приводятся различные |
методы строитель |
ства на слабых водонасыщенных глинистых грунтах. Описаны су ществующие теории уплотнения слабых водонасыщенных глин, мето ды ускорения уплотнения грунтов вертикальными песчаными и кар тонными дренами и рассмотрены методы проектирования оснований сооружений с вертикальными дренами по предельным состояниям. Приведены технологические схемы устройства вертикальных песча ных дрен и дренажных прорезей и примеры применения вертикально го дренирования при строительстве различных сооружений на слабых водонасыщенных грунтах.
Книга предназначена для научных и инженерно-технических ра ботников научно-исследовательских, проектных и строительных орга низаций, работающих в области фундаментостроения.
Табл. 21, рис. 93, список лит.: 62 назв.
А 0326—242 101-73
047 (01)-73
Введение
Слабыми водонасыщенными глинистыми грунтами на зываются грунты со степенью влажности больше 0,8 и модулем общей деформации меньше 50 кгс/см2 в диапа зонах давлений до 3 кгс/см2. К таким грунтам относятся ленточные глины, морские и пресноводные илы, водонасыщенные лёссовые и лёссовидные грунты и другие типы глинистых грунтов, имеющие текучую и пластичную кон систенцию.
Слабые водонасыщенные глинистые и заторфованные грунты широко распространены на территории СССР и многих других стран (США, Китай, Индия, Ирак и др.). Строителям часто приходится использовать такие грунты в качестве оснований промышленных, гражданских, гид ротехнических и транспортных сооружений. В связи с развитием ирригации в СССР большие массивы мало влажных грунтов стали водонасыщенными (например, в Узбекской, Таджикской, Казахской, Украинской союз ных республиках). Часто из-за необходимости использо вания для технологических нужд большого количества воды промышленные сооружения располагают в доли нах рек и по побережью озер и морей. В основании та ких сооружений в подавляющем большинстве залегают слабые водонасыщенные грунты.
Особенно большой размах приобрело строительство на слабых водонасыщенных грунтах в связи с запреще нием возведения сооружений на пахотных землях. По этому в наши дни строители часто используют под объек ты площадки, которые еще 10—15 лет тому назад приз навались геологами непригодными для возведения сооружений.
Свойства слабых водонасыщенных глинистых грунтов исследовались в СССР начиная с 30-х годов. Большие ра боты по исследованию илов были проведены в НИИОСПе
1* |
3 |
(бывш. ВИОС, НИИ-100) чл.-корр. АН СССР H. М. Герсевановым [15], проф. Ю. М. Абелевым [7] и В. Г. Бу лычевым [38], Д. Е. Польшиным, Г. В. Сорокиной [48], Е. В. Светинским [45] и др. Слабые водонасыщенные грунты исследовали чл.-корр. АН СССР Н. А. Цытович [53], проф. H. Н. Маслов [32, 33] и M . Н. Гольдштейн [16, 17], чл.-корр. АН СССР В. А. Флорин [52], В. П. Си-
пидин |
[46] и многие |
другие. |
|
|
В |
последние годы |
свойства |
слабых водонасыщенных |
|
глинистых |
грунтов изучались во ВНИИГе, в ПНИИСе, |
|||
ЦНИИСе, |
Союзморниипроекте, |
Фундаментпроекте и в |
ряде других научно-исследовательских и проектных ин ститутов. Большие научно-исследовательские работы по изучению слабых глинистых грунтов и разработке мето дов строительства на слабых глинистых грунтах были проведены на кафедрах «Основания и фундаменты» МИСИ им. В. В. Куйбышева, Л И С И Днепропетровского института инженеров железнодорожного транспорта, Одесского инженерно-строительного института и в дру
гих |
вузах. Свойствам слабых водонасыщенных |
глинис |
||||
тых |
грунтов и проблемам |
использования этих |
грунтов |
|||
в качестве |
оснований в настоящее время посвящены мно |
|||||
гие |
работы |
Гидропроекта. Необходимо |
также |
отметить |
||
работы А. А. Ничипоровича |
[22, 23], H. Н. Веригина [22, |
|||||
23], |
С. А. Роза |
[41, 42], |
П. Д. Евдокимова |
[22, 23], |
||
Я- Л. Когана [26], В. М. Павилонского |
[37], С. С. Буш- |
|||||
канец [13] и др. |
|
|
|
|
||
Вопросам исследования слабых водонасыщенных гли |
||||||
нистых грунтов |
и их 'использования в качестве |
основа |
ний сооружений был посвящен ряд докладов на между народных конгрессах по механике грунтов и фундаментостроению (1957, 1961, 1965, 1968 и 1969 гг). и ряд всесо юзных совещаний (1939, 1956, 1965 и 1971 гг.). Решению вопросов, связанных с исследованием слабых водонасы щенных грунтов, проектированием различных сооруже ний на них и методами строительства (с учетом извест ных аварий сооружений на слабых водонасыщенных грунтах), были посвящены всесоюзные совещания в Тал лине (1965 г.) и Риге (1971 г.) [47, 49].
Трудность использования слабых водонасыщенных глинистых грунтов в качестве оснований гражданских, промышленных, гидротехнических, транспортных и дру гих сооружений определяется следующим:
1. Сооружения, возведенные на слабых водонасыщен-
4
ных глинистых грунтах с модулем общей деформации меньше 50 кгс/см2, испытывают большие осадки, обуслов ленные высокой сжимаемостью грунтов. Известны, на пример, сооружения, построенные на толщах водонасыщенных глинистых грунтов в X V I I — X V I I I вв., осадка ко торых достигла 1,5—2 м (церкви в Москве и Боровске, в районе Архангельска, в Прибалтике и т. п.).
2.Сильносжимаемые водонасыщенные глинистые
грунты |
имеют малую прочность — угол их внутреннего |
трения |
обычно равен 5—12°, а сцепление 0,1—0,3 кгс/см2 |
(при испытании грунтов по методике быстрого сдвига). Поэтому обеспечить устойчивость фундаментов и отдель ных сооружений, возведенных на толще таких грунтов, очень сложно. Особенно трудно обеспечить устойчивость сооружений с эксцентричным приложением нагрузки к фундаментам и при действии горизонтальных сил (напри мер, при строительстве дымовых труб, химических ко лонн, опор линий высоких передач и других сооружений, у которых центр тяжести расположен высоко). Большие сложности возникают и при устройстве на слабых водонасыщенных глинистых грунтах дамб и земляных плотин, так как обеспечить устойчивость самих сооружений и их откосов в этих случаях очень трудно.
3. Осадка сооружений, расположенных на слабых водонасыщенных глинистых грунтах, происходит в течение длительного времени. Это объясняется тем, что уплотне ние водонасыщенных грунтов в основном определяется процессами отжатия воды, заполняющей поры грунта, к дренажным поверхностям. Так как коэффициент фильт рации глинистых грунтов очень мал (ICH3 —10~9 см/сек), то процесс уплотнения происходит в течение длительного времени, особенно, когда основания сложены большими толщами водонасыщенных глинистых грунтов. В процес се уплотнения (консолидации) сжимаемость грунта уменьшается (по сравнению с его сжимаемостью до уп лотнения) , а прочность (сопротивление сдвигу) увеличи вается. Таким образом, низкая водопроницаемость и мед ленное отжатие поровой воды в процессе уплотнения слабых водонасыщенных грунтов существенно определя ют медленное нарастание прочности и модуля общей де формации грунтов.
Следует отметить, что целостность и эксплуатацион ная пригодность сооружений зависят не только от вели чины осадок, но и от скорости проявления этих осадок во
6
времени. Наблюдения показывают, что сооружения, у ко торых осадки фундаментов происходили в течение дли тельного времени, обычно не дают трещин. В них наблю
даются изгибы кирпичной кладки, прогибы |
металличес |
||||||
ких конструкций, нарушение |
горизонтальности |
отдель |
|||||
ных бревен в деревянных конструкциях |
и т. п. При |
мед |
|||||
ленном развитии осадок пластические деформации |
кон |
||||||
струкции наблюдаются |
лишь |
в тех случаях, когда |
ско |
||||
рость развития |
пластических |
деформаций |
конструкций |
||||
надфундаментной части |
сооружения |
больше, |
чем |
ско |
|||
рость развития |
деформаций в |
основании. |
Трещины |
ж е |
|||
возникают в тех случаях, когда скорость протекания |
оса |
док фундаментов значительно превышает скорость раз вития пластических деформаций конструкций.
До последнего времени для расчетов времени осадок сооружений, построенных на водонасыщенных грунтах, использовалась теория фильтрационной консолидации, разработанная К- Терцаги [51]. Эта теория предполага ет, что грунты имеют нарушенную структуру, все поры в них заполнены водой, поровая вода несжимаема и фильт рация при отжатии поровой воды происходит в соответ ствии с законом Дарси.
Наблюдения за осадками существующих сооружений и за развитием осадок во времени показали, что во мно гих случаях фактические осадки и скорости их протека ния значительно отличаются от расчетных данных, полу
ченных по теории |
фильтрационной |
консолидации. |
Исследования, |
проведенные в |
1960 г. в МИСИ им. |
В. В. Куйбышева |
(Н. А. Цытович |
[53], М. Ю. Абелев |
[1, 2], 3. Г. Тер-Мартиросян) [551, МАДИ (H. Н. Маслов, Э. М. Добров) [33] и ВОДГЕО (В. М. Павилонский) [37], а также другими специалистами, позволили устано вить, что фильтрация в глинистых и заторфованных грун тах происходит с отклонением от закона Дарси, и выявить явление «начального градиента напора». Эти исследова ния, кроме того, показали, что после приложения давле ния к водонасыщенным грунтам основания природной структуры поровой водой воспринимается не вся нагруз ка (как предполагается по теории фильтрационной кон солидации), а только ее часть.
В настоящее время еще отсутствуют унифицирован ные методы определения характеристик сжимаемости, прочности и водопроницаемости слабых водонасыщен ных грунтов, необходимые для расчетов и проектирова-
6
ния искусственных оснований, что мешает внедрению разработанных расчетов в практику. Поэтому автор в главе I приводит некоторые методики лабораторных оп ределений свойств слабых грунтов.
Современные методы проектирования сооружений учитывают совместную работу сооружения и основания. Многочисленные исследования показали, что деформативные и прочностные характеристики слабых водонасыіценных грунтов в значительной мере зависят от соору жения, возводимого на таких грунтах, поэтому автор рассматривает различные методы получения характери стик прочности и деформируемости грунтов в зависимо сти от типов возводимых сооружений и методов расчета оснований.
Как уже упоминалось, основные сложности, возника ющие при строительстве сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах, обусловлены медленным отжатием поровой воды до дренажной поверхности. Вре мя отжатия воды (время консолидации) зависит от пути фильтрации, который проходит отжимаемая вода до дре нажной поверхности. Чтобы уменьшить время уплотне ния и ускорить процессы консолидации слабых водонасыщенных грунтов, в основании на определенном рассто янии друг от друга устраивают вертикальные дрены из песка или картона. При обжатии грунтов вода отжима ется из пор в дрену и поднимается по ней вверх, так как коэффициент фильтрации материала дрены во много раз больше коэффициента фильтрации окружающего грунта. Над песчаными дренами устраивают горизонтальную дренажную (обычно песчаную) подушку для отвода во ды из дрен. В результате за короткое время удается по лучить грунты с высокими прочностными и деформативными характеристиками. Этот метод впервые был успеш но использован в 1933 г. при строительстве ГЭС Свирь-3 (автор метода академик Г. О. Графтио), а в настоящее время широко применяется в СССР и других странах (США, Японии, Индии, ФРГ, Франции и др.) при строи тельстве транспортных сооружений, промышленных, гид ротехнических, сельскохозяйственных и гражданских объектов.
Следует отметить, что вертикальные песчаные дрены начинают «работать» только тогда, когда к поверхности площадки, в основании которой устроены дрены, прикла дывается нагрузка. Нагрузка необходима для создания
7
напора, под действием которого поровая вода будет пе ремещаться до дренажной поверхности. В качестве на грузки наиболее часто применяют земляные насыпи вы сотой до 20 м. Однако в ряде случаев при возведении таких пригрузочных насыпей грунты основания теряют устойчивость, и поэтому высота пригрузочной насыпи часто определяется прочностными характеристиками грунтов основания. В связи с этим пригрузочные насыпи обычно возводят послойно, т. е. каждый последующий слой укладывают после уплотнения и повышения проч ностных характеристик грунтов основания. Высота слоя пригрузочной насыпи должна быть такой, чтобы основа ние не потеряло устойчивости.
Начиная с 1950 г. по предложению проф. Ю. М. Абелева [6] для уплотнения слабых водонасыщенных гли нистых грунтов широко применяют песчаные сваи, пред ставляющие собой вертикальные песчаные дрены, вокруг которых создаются зоны уплотнения.
Под действием напряжений, возникающих при изго
товлении песчаных свай, на определенном |
расстоянии |
вокруг песчаной сваи в поровой воде грунтов |
возникают |
напоры, под действием которых поровая вода |
отжимает |
ся в тело песчаной сваи. При применении песчаных свай не требуется устройства пригрузочной насыпи. Однако в основании сооружений требуется в несколько раз боль шее количество песчаных свай, чем при устройстве на та кой же площади вертикальных песчаных дрен. Обычно расстояние между центрами вертикальных песчаных дрен принимается равным 2—6 м, а песчаных свай—0,8—1,5 м.
Опыт применения песчаных свай в СССР показал, что этот метод эффективен при возведении промышленных и гражданских сооружений на слабых глинистых грунтах, но отсутствие методов расчета консолидации грунтов ос нования при устройстве песчаных свай не позволяло ус тановить пределов его применимости. Несколько объек тов, построенных в Прибалтике на песчаных сваях, испы тали большие осадки, что дало повод некоторым специа листам усомниться в эффективности рассматриваемого метода. Однако истинной причиной возникновения боль ших осадок упомянутых сооружений явилась неудачная технология устройства песчаных свай, не позволяющая создать непрерывные по длине песчаные сваи. В настоя щее время разработано несколько типов технологии уст ройства песчаных свай, гарантирующих их непрерыв-
8