В Среднеуральском регионе основанием для большинства сооружений служат грунты глинистого и пылевато-глинистого типа. Они имеют преимущественно элювиальное происхождение, реже — аллювиальное и аллювиально-делювиальное. Элювиальные грунты, характерные для горных районов Уральского хребта, образовались в результате выветривания магматических, метаморфических и осадочных скальных пород, оставшихся на месте своего формирования.
Процессы формирования грунтов
Формирование этих грунтов происходило под воздействием двух ключевых процессов. Физическое выветривание, вызванное перепадами температур, замерзанием воды, а также механическим воздействием воды и ветра, приводило к дроблению пород на обломки без изменения их химического состава. Химическое выветривание, в свою очередь, подразумевало взаимодействие пород с водой, воздухом и газами, что вызывало химические преобразования и образование новых минералов, в том числе глинистых, сопровождавшееся сильным измельчением частиц.
Классификация зон выветривания
Согласно классификации Л. И. Корженко, зоны выветривания разделяются по степени разрушения материнской породы:
1) Продукты физического выветривания: разборная скала, щебень, дресва, песок и пыль, сохранившие прочность в обломках.
2) Продукты химического выветривания: рухляк, сапролит, глины, суглинки, супеси, частично сохранившие структурную связь с исходной породой.
3) Продукты комплексного выветривания: рухляковая разборная скала, рухляковый или сапролитовый щебень, дресва и глинистые грунты с включениями, полностью утратившие структурную связность.
Характерные особенности и проблемы
Разнообразие состава и свойств элювиальных грунтов, а также суровые климатические условия региона формируют ряд специфических грунтовых условий, которые создают сложности при строительстве:
- Сложное и неравномерное напластование грунтов как в плане, так и по глубине, включая неровную кровлю скальных пород.
- Высокие прочностные показатели глинистых грунтов.
- Глубокое сезонное промерзание, ведущее к морозному пучению оснований.
- Наличие карманов выветривания — полостей в скальных или крупнообломочных грунтах, заполненных глинистым материалом.
- Интенсивное развитие процессов выветривания, разуплотнения, водонасыщения и пучения грунтов после вскрытия котлована.
Причины деформаций сооружений
Многолетние исследования под руководством профессора В. Б. Швеца выявили основные причины недопустимых деформаций зданий на Урале:
- Недостаточный объем и глубина инженерно-геологических изысканий.
- Игнорирование при проектировании неоднородности сложения и неравномерной сжимаемости элювиальных грунтов.
- Нарушение природных свойств грунтов в ходе строительных работ.
- Изменение свойств грунтов в процессе эксплуатации сооружения.
Опыт показывает, что под подошвой фундаментов часто залегают грунты с разной сжимаемостью. Традиционные методы проектирования фундаментов зачастую не могут гибко учесть эту неоднородность, что приводит к значительным и неравномерным осадкам.
Рекомендации для строительства
Для повышения надежности строительства на элювиальных грунтах рекомендуется:
- Увеличивать количество разведочных выработок для детального изучения разреза.
- Повышать качество отбора проб грунта ненарушенной структуры.
- Внедрять современные методы инженерно-геологических изысканий.
- Расчищать и заполнять малосжимаемым материалом небольшие карманы выветривания под подошвой фундамента.
- Применять искусственные подушки из песка или щебня для выравнивания свойств основания.
- Устраивать осадочные швы для компенсации неравномерных деформаций.
- Строго регламентировать в проекте сроки простоя открытого котлована и величину недобора, чтобы избежать расструктуривания грунта.
- Организовывать мероприятия по защите грунтов основания от промерзания.
Перспективные решения: щелевые фундаменты
Существенное повышение эффективности и надежности фундаментов возможно при комплексном подходе, сочетающем детальное изучение инженерно-геологических условий с поиском новых конструктивных решений. Одним из таких перспективных направлений являются щелевые фундаменты, адаптированные к местным условиям.
Экспериментальные исследования несущей способности щелевых фундаментов проводились на двух площадках в Свердловске (ныне Екатеринбург), а промышленные испытания — на объекте в Нижнем Тагиле. Изыскания выполнялись трестом «Уралтисиз» совместно с УПИ им. С. М. Кирова и включали бурение скважин с отбором образцов для определения физико-механических характеристик.
Для испытаний были изготовлены крупномасштабные модели фундаментов (С-1 – С-6) и натурные конструкции (СН-1 – СН-3). Часть из них возводилась в траншеях, разработанных «насухо», а часть — под защитой глинистого раствора, приготовленного из глинопорошка Ханларского месторождения с заданными реологическими свойствами.
Методика и результаты исследований
Все опытные конструкции были выполнены из монолитного бетона класса В15. Для исследований применялся комплекс методов:
- Измерение напряжений: Использовались тензометрические и струнные мессдозы для измерения касательных и нормальных напряжений в грунте. Мессдозы тарировались на прессе, а их показания снимались высокочувствительной аппаратурой. Для гидроизоляции применялись эпоксидный клей и консистентная смазка.
- Изучение деформированного состояния: Деформации грунта вокруг фундаментов изучались с помощью глубинных грунтовых марок и метода горизонтального прокалывания. Марки представляли собой металлические трубки с наконечниками, устанавливаемые в предварительно пробуренные скважины. Их перемещения фиксировались индикаторами часового типа. Для модели С-6 дополнительно применялся метод деплантации (искривления) окрашенных горизонтальных полос в грунте, что позволило визуализировать картину деформаций после откопки фундамента.
Измерения проводились на каждой ступени статической нагрузки, что позволило получить детальную картину взаимодействия щелевых фундаментов с элювиальными грунтами и оценить их работоспособность в сложных грунтовых условиях Среднего Урала.