Как строить на водонасыщенных глинистых грунтах?

Основной задачей при строительстве различных зданий и сооружений на водонасыщенных глинистых грунтах является обеспечение их прочности и нормальной эксплуатации в течение всего установленного срока. 

Сложность этой задачи определяется специфическим и непростым механизмом развития деформаций, наличием слоя слабых водонасыщенных глинистых грунтов, причем значительной толщины, достигающей иногда 25-30 м и более. 

Всегда при устройстве фундаментов, особенно свайных оснований, необходимо учитывать тиксотропные свойства слабых грунтов. 
При определенных механических воздействиях структурные связи в грунтах разрушаются, резко снижается показатели прочностных и деформационных свойств грунтов. 

С течением времени структурные связи, имеющие обратимый характер, восстанавливаются, и происходит упрочнение грунта. В основном все слабые грунты имеют низкую прочность и большую сжимаемость. 

Технология изготовления песчаных свай происходит следующим образом:

В грунт забивают пустотелую трубу диаметром 35 – 60 см с закрытым концом (самораскрывающийся башмак грейферного типа). После забивки трубы происходит разрушение и уплотнение грунта в зоне, прилегающей к трубе. В ней возникают большие напряжения, которые радиально уменьшаются от максимальных значений вблизи боковой поверхности трубы до нуля на каком-то расстоянии от нее. В результате смещения частиц грунта вокруг трубы происходит нарушение природной структуры в той зоне, где возникающие напряжения превышают структурную прочность сжатия грунта в горизонтальном направлении.

После засыпки трубы песком ее извлекают из основания, и в грунтовом основании образуется столб (цилиндр) песка, вокруг которого существует зона напряженного состояния. Под действием напряжения в этой зоне возникает поровое давление, и вода отжимается в тело песчаной сваи (вертикальной песчаной дрены с уплотненной зоной). Решая задачу консолидации, можно установить время уплотнения грунтов и изменение прочности и сжимаемости грунтов в напряженной зоне вокруг песчаной сваи. 

Для обеспечения эксплуатационной пригодности сооружений, возводимых на слабых водонасыщенных глинистых грунтах, мероприятия по улучшению оснований следует разрабатывать с учетом типа основания, характера напластования и вида грунтов, особенностей их физико-механических свойств, гидрогеологических условий площадки строительства, конструктивных особенностей сооружения, а также предъявляемых к нему эксплуатационных требований. 

Предварительное уплотнение слабых водонасыщенных глинистых грунтов должно осуществляться временной или постоянной пригрузкой, выдержанной по простиранию верхних слоев этих грунтов. Пригрузку создают отсыпкой  на поверхность площадки строительства грунта с устройством фильтрующего слоя из песка для ускорения процесса консолидации основания. При возведении больших сооружений эффективным мероприятием при строительстве на слабых грунтах (при расположении слабого грунта в верхней части основания) является прорезка (полная или частичная) их глубокими фундаментами, в том числе свайными. При применении свайных фундаментов, прорезающих сильносжимаемые грунты, их несущая способность определяется с учетом возможного развития отрицательного трения от оседающего вокруг свай грунта. 

Полная или частичная замена слабых грунтов песком, гравием, щебнем в пределах сжимаемой толщи выполняется путем устройства распределительных подушек. 

Применение подушек дает возможность снизить давление на подстилающие слабые грунты, а также уменьшить расчетные деформации оснований (при полной замене слабых грунтов – весьма существенно). Здесь важные факторы – правильное уплотнение отсыпаемых грунтов и верный выбор строительной техники.

При возведении сооружений на водонасыщенных глинистых грунтах невозможно полностью исключить развитие неравномерных осадок. Кроме того, неравномерные осадки могут происходить также из-за плохого качества работ по уплотнению грунтов и неточного расчета дополнительных ожидаемых осадок грунтов оснований. В таких случаях необходимое конструктивное решение – изменение типа и размеров фундаментов возводимых сооружений, позволяющее уменьшить давление, передаваемое на грунты основания сооружений. Для этого применяют плитные, коробчатые, ленточные из перекрещивающихся лент фундаменты. Эти типы фундаментов позволяют выравнивать осадки основания увеличением жесткости возводимого сооружения. 

Общую жесткость сооружений, возводимых на слабых водонасыщенных грунтах, можно увеличить дополнительным усилением фундаментов и стен железобетонными поясами, дополнительным армированием слабых участков конструкций, увеличением опорной площади конструкций и другие способы. Нижний железобетонный пояс выполняют по подошве фундаментов или поверх сборных фундаментных плит, затем следующий пояс – по верхнему обрезу фундаментов (обрезом фундамента называют поверхность его соприкосновения с надфундаментной частью здания или сооружения), а последующие – через этаж (на уровне междуэтажных перекрытий непрерывными по наружным и внутренним стенам).

На площадках со слабыми водонасыщенными глинистыми грунтами эффективно применение жестких железобетонных коробчатых фундаментов, пространства которых используются в качестве подвалов или подземных этажей различного назначения. При определенных условиях такой фундамент может быть плавающим. Чувствительность конструкций к неравномерным осадкам может быть снижена разрезкой здания на отдельные жесткие блоки осадочными швами. Для обеспечения самостоятельности осадок отдельных частей здания необходимо делать осадочные швы с надлежащими зазорами. Размеры зазора следует назначать с учетом ожидаемых неравномерностей осадок здания, как в продольном, так и в поперечном направлении.  

Повышение пространственной жесткости является одним из способов уменьшения неравномерности осадок и перераспределения усилий в элементах здания. Поэтому предпочтение следует отдавать бескаркасным конструкциям сооружений простой конфигурации, а для каркасных зданий применять фундаменты плитные или из перекрещивающихся монолитных железобетонных лент.

При подготовке оснований в условиях слабых грунтов должны быть обеспечены устойчивость откосов и креплений стенок котлованов, предохранение грунтов от увлажнения и промерзания, защита грунта основания от повреждения механизмами и подтопления подземными водами. Слабые водонасыщенные грунты являются, как правило, сильнопучинистыми (морозоопасными) при промерзании. После промерзания прочность оттаивающих грунтов резко уменьшается и повышается сжимаемость, поэтому в процессе производства работ в зимних условиях грунты стенок и дна котлована должны быть защищены от промерзания.

При правильном выполнении инженерно-геологических изысканий, обоснованном использовании данных технологий устройства оснований и фундаментов зданий на слабых грунтах будет полностью обеспечено проектное качество строительства.
При этом полностью исключаются возможные дополнительные работы при неравномерных осадках сооружений, и, соответственно, это будет обосновывать экономическую эффективность применяемых технологий.