Опыт предварительного замачивания набухающего грунта
Предварительное замачивание набухающих грунтов, являющихся основанием сооружения, осуществляется с целью устранения свойства набухания этих грунтов. Сущность этого метода состоит в том, что до начала строительства грунта основания увлажняется искусственным путем с тем, чтобы произошло разуплотнение грунта в пределах всей или части набухающей толщи. На подготовленном путем замачивания основании возводится сооружение. Очевидно, что замачивание такого основания в процессе эксплуатации не вызовет набухания грунта, а следовательно, и нежелательных деформаций конструкций.
Ранее указывалось на характерную особенность набухающих глубин, заключающуюся в возможности накопления влаги под водонепроницаемым экраном или под зданием, что в свою очередь приводит к набуханию грунта. При этом влажность увеличивается практически до влажности набухания, т. е. до влажности, близкой к той, которая наблюдается при искусственном замачивании грунта.
Кроме того, опыт эксплуатации сооружений, возведенных на набухающих грунтах, показал, что в результате замачивания в процессе эксплуатации также происходит набухание грунта. Применяя предварительное замачивание, можно искусственным путем ускорить процесс набухания грунта и завершить его до начала строительства, а следовательно, не опасаться возможности возникновения этого явления в процессе эксплуатации сооружений.
Зарубежный опыт замачивания грунта
В иностранной практике также применяется предварительное замачивание набухающего грунта. Так, Мак-Дауэли описывает применение этого метода при строительстве мастерских Техасского Департамента шоссейных дорог. Основанием этого сооружения являются плотные глины, залегающие слоем толщинои более 20 м. На основании лабораторных исследований был подсчитан возможный подъем здания, который определен в 15 см. Подсчеты показали, что устройство глубоких опор и подвесного пола первого этажа (по типу междуэтажного перекрытия) оказывается очень дорогим. Поэтому было решено разработать котлован глубиной 2 м и залить его водой.
После 30 сут замачивания грунта произвели откачку воды и приступили к подготовке основания. С этой целью в верхний увлажненный слой грунта добавили известь и укатали его пневмокатком. Через 3 сут образовался плотный слой грунта, после чего произвели подсыпку ненабухающим грунтом. На этот уплотненный слои были установлены фундаменты и полы здания. Однако автор не приводит данных о глубине промачивания, величине подъема дна котлована и т. д.
В Индии применяются два метода поддержания постоянной влажности грунта основания. Первый состоит в том, что вокруг здания на глубине, примерно 0,5 м от уровня планировки, устраивается бетонный экран шириной около 2 м. Толщина экрана равна 15-20 см. Благодаря этому климатические воздействия не влияют на изменение влажности в основании наружных стен. Однако этот метод не исключает накопления влаги под сооружением и появления неравномерных подъемов.
Поэтому применяют второй метод, заключающийся в замачивании грунта основания через песчаные дрены, располагаемые вокруг здания. В этом случае на поверхности устраивается бетонная отметка шириной 1,2 — 1,5 м. По внешней границе отмостки пробуривают скважины диаметром 10 см и глубиной 1,8 — 2 м. Эти скважины заполняют крупным песком или гравием. Устья скважин объединены между собой закрытым железобетонным лотком. В пределах каждой стены здания лоток имеет приемный колодец, через который можно заливать воду. Вода, распространяясь по лотку, попадает в дренирующие скважины и увлажняет грунт. В результате постоянно поддерживается высокая влажность грунта.
Сезонные и климатические изменения влажности грунта
В случае применения предварительного замачивания возникают два вопроса, требующие своего решения. Первый состоит в том, что необходимо определить возможность сохранения повышенной влажности набухшего грунта в процессе эксплуатации; второй — в том, что следует изучить деформационные и прочностные характеристики увлажненного грунта, который будет использоваться в качестве основания.
Очевидно, уменьшение влажности замоченного набухающего грунта может произойти в результате климатических воздействии или тепловых воздействий от технологических установок, расположенных в сооружениях. В последнем случае необходимо сразу же ограничить применение этого метода подготовки набухающих грунтов.
Выше рассматривался вопрос о влиянии климатических факторов на набухание и усадку глинистого грунта. Экспериментальные исследования и результаты наблюдении за сооружениями показали, что в основании из набухающих грунтов происходит возрастание влажности до величины, близкой к влажности набухания. Это влажность сохраняется даже при отсутствии дополнительных источников увлажнения.
Следовательно, можно утверждать, что после возведения сооружения на замоченном состоянии влажность грунта в процессе эксплуатации не уменьшится. Если метод предварительного замачивания применяется при возведении сооружений, в которых технологический процесс связан с переработкой воды, то вследствие ее утечек будет происходить дополнительно увлажнение грунта. Поэтому в этом случае полностью исключается возможность уменьшения влажности грунта.
В то же время следует учитывать возможные сезонные изменения влажности грунта при годовых колебаниях температуры. Поэтому влажность грунта в основании наружных стен может уменьшиться, что приведет к усадке глин, а следовательно, и к осадке фундамента. Избежать этого можно путем устройства вокруг здания широких отмосток. Последние являются как бы продолжением здания, и поэтому фундаменты наружных стен окажутся за пределами зоны, где возможны сезонные изменения влажности. И, наконец, установлено, что зона сезонных изменений влажности имеет ограниченную толщину. Поэтому при заложении подошвы фундаментов ниже границы сезонных изменений влажности можно не опасаться появления осадок, вызванных усадкой грунта.
Вопрос об обратимости процесса набухания
Замачивание грунта в котлованах, осуществляемое через шурфы, вызвало подъем штампов. Через год было проведено повторное замачивание этих котлованов. За этот период влажность грунта в разработанном котловане уменьшилась. Этот опыт не отражает полностью условий работы замоченного грунта в основании, так как в данном случае на поверхности отсутствовал водонепроницаемый экран. Поэтому имелась возможность испарения влаги из увлажненного грунта, расположенного в зоне сезонных изменений влажности. Однако и в этих условиях повторное замачивание, даже при значительном уменьшении внешней нагрузки, не привело к осуществленному подъему фундамента.
Метод предварительного замачивания набухающих грунтоз был применен при возведении ряда сооружений, например при строительстве одноэтажного здания механической мастерской с одним пролетом размером в плане 36×12 м и высотой 7 м. Конструктивно здание решено в виде каркаса; колонны опираются на самостоятельные монолитные железобетонные фундаменты. Наружные стены из кирпича имеют непрерывный ленточный железобетонный фундамент сечением 30×70 см, заглубленный на 2 — 2,3 м.
Предварительное замачивание осуществлялось следующим образом. Под наружными, продольными и торцовыми стенами были разработаны траншеи шириной 5 м и глубиной около 1,5 м, т. е. снят верхний слой покровных суглинков до щебенистой зоны хвалынской глины. В траншеях пробуривали в шахматном порядке скважины диаметром 30 см и глубиной 2 м. Затем скважины и поверхность были засыпаны слоем щебенки толщиной 10 — 15 см и по всему котловану установлены 74 поверхностные марки.
Замачивание котлована продолжалось около 3 мес. В котлован периодически добавляли воду, чтобы ее слой был не меньше 30 — 40 см. После окончания замачивания котлован оставался открытым 5 мес. Подъем поверхностных марок после замачивания составил 150 — 210 мм. Разница в скорости подъема отдельных марок объясняется тем, что дно котлована было спланировано с уклоном, и поэтому в отдельные периоды часть котлована оставалось не замачиваемой. Быстрый подъем поверхности наблюдался там, где происходило интенсивное увлажнение, стабилизация деформаций от набухания практически наступила через 1,5 мес. Несмотря на неравномерность замачивания, подъем поверхности на большинстве участков был равномерным.
До и после замачивания были пробурены скважины для определения влажности грунта по глубине, которая возросла примерно на 6 %. Установлено, что подъем поверхности непосредственно зависел от увеличении влажности. Так, при возрастании влажности на 4 % подъем равен 75 мм, а при возрастании на 8 % — в 2 раза больше.
В дальнейшем верхний слой глины (щебенистая зона) толщиной около 0,7 м был удален и устроена подготовка из гранитного щебня толщиной в 15 см, на которой возводились фундаменты с давлением по подошве, несколько ббльшим 0,1 МПа.
После возведения цоколя мастерской были начаты наблюдения за ее движением. В процессе строительства наблюдалась осадка всех марок, которая продолжалась равномерно в процессе эксплуатации. Максимальная осадка за 4 года составила всего 29 мм.
Применяя метод предварительного замачивания, сооружения можно возводить как на обычных грунтах без осуществления дополнительных конструктивных и водозащитных мероприятий.
Предварительное замачивание осуществляется в пределах всей толщи набухающего грунта или ее части и полностью устраняет или уменьшает подъем сооружения при возможном замачивании грунта в процессе эксплуатации сооружения. Толщу предварительно замачиваемого слоя назначают в зависимости от конструктивных особенностей сооружения и местных природных условий исходя из требования, чтобы возможная величина деформации оставшегося незамеченного набухающего грунта основания была меньше допустимой для данного сооружения.
При применении предварительного замачивания работы производят в следующем порядке. Разрабатывают котлован на 0,1 — 0,3 м выше проектной отметки заложения подошвы фундамента. Дно котлована зачищают под одну отметку. В котловане пробуривают скважины диаметром не менее 80 мм глубиной на 0,5 м меньше требуемой по проекту толщины слоя, подвергаемого замачиванию.
Скважины устраивают в шахматном порядке. Расстояние между скважинами в ряду и между рядами принимают в зависимости от текстурных особенностей грунта, но не более 4 м. Скважины заполняют щебнем, гравием или гравийно-песчаной смесью на всю высоту. Во избежание заливания скважин рекомендуется ограждать устья скважин специальным деревянным коробом, заполненным дренирующим материалом. Высота короба должна быть меньше глубины слоя воды в котловане.
При составлении проекта производства работ должен быть вычислен подъем поверхности дна котлована в результате набухания грунта. Для контроля за подъемом дна поверхностные марки в котловане устанавливают по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Кроме того, устанавливают марки на бровке котлована. Расстояние между марками принимается равным 1,5 — 2 м. Рекомендуется устраивать куст глубинных марок для наблюдений за послойными перемещениями грунта массива.
До начала замачивания осуществляется нивелировка поверхностных и глубинных марок относительно неподвижного репера, расположенного на расстоянии 30 — 50 м от котлована. Кроме того, следует определить природную влажность грунта через 0,5 — 1 м по глубине.
В подготовленный котлован непрерывно подается вода с таким расчетом, чтобы постоянно поддерживать слой воды высотой 0,2 — 0,3 м. В процессе замачивания не менее чем 1 раз в 7 — 10 сут производится нивелировка поверхностных и глубинных марок, по которым строится график подъема дна котлована во времени. Замачивание прекращают после того, как фактический подъем дна котлована достигнет 0,8 расчетного подъема. Время замачивания зависит от многих факторов: текстуры и структуры грунта, расстояние между скважинами, начальной влажности грунта.
Ориентировочно сроки замачивания составляют для глин: хвалынских, сарматских и киммерийских — 2 — 3 мес, майкопских и аральских — 3 — 4 мес. Глубина замоченной толщи, в которой ликвидированы свойства набухания грунта, контролируются путем определения влажности. Нижняя граница слоя, который считается ненабухающим, принимается по глубине, где влажность грунта после замачивания составляет не менее влажности набухания при действии нагрузки от собственного веса грунта.
После прекращения замачивания производится срезка верхнего слоя грунта и отсыпки выравнивающей подушки под фундаменты из песка, гравия или щебня. Толщина подушки принимается равной 15-30 см. Допускается применять негашеную известь, которая втрамбовывается в верхний слой замоченного грунта. После устройства фундаментов осуществляется засыпка пазух ненабухающим грунтом с послойным уплотнением.
При назначении размеров подошвы фундаментов следует исходить из характеристик грунта в набухшем состоянии. Учитывая, что прочностные и деформационные характеристики грунта после замачивания резко уменьшаются, допускаемое давление на грунт находится в пределах 0,08 — 0,15 МПа. Поэтому этот метод рекомендуется применять для сооружений, давление по подошве которых незначительно. К таким сооружениям относятся резервуары, отстойники, градирни и т. д. Однако этот метод может применяться и для других сооружений, например для зданий с каркасом или с несущими кирпичными стенами, где нагрузки, передаваемые на грунт, оказываются незначительными.
При устройстве фундаментов под технологическое оборудование, также применяют метод предварительного замачивания. Во избежание усадки грунта фундаменты сооружений в этом случае должны находиться ниже зоны сезонных изменений влажности грунта. После возведения здания на замоченном основании следует устраивать отмостку шириной не менее 2 — 4 м. Вокруг здания не допускается высаживать деревья на близком расстоянии.
