Основанием сооружений на Среднем Урале служат преимущественно глинистые и пылевато-глинистые грунты элювиального, реже аллювиального и аллювиально-делювиального происхождения. Элювиальные грунты горных районов Уральского хребта являются продуктами выветривания магматических, метаморфических и осадочных сцементированных скальных пород, оставшимися на месте своего образовавния.
Под воздействием физического и химического выветривания происходило раздробление и измельчение горных пород. В результате физического выветривания под воздействием колебаний температуры, замерзания воды в порах и трещинах породы, механического воздействия воды и воздушных течений горные породы разрушались до обломков определенного размера без изменения их минерального и химического состава. При химическом выветривании горные породы, вступая во взаимодействие с водой, содержащей различные соединения, а также воздухом и газами, претерпевали химические изменения, вызывающие образование новых минералов. При этом происходило резкое измельчение зерен я образование из материнских минералов породы, глинистых минералов.
По классификации Л. И. Корженко , зоны выветривания, в зависимости от степени распада пород, подразделяются следующим образом:
1) продукты физического выветривания, сохранившие прочность в обломках: разборная скала, щебень, дресва, песок и пыль;
2) продукты химического выветривания, частично сохранившие структурную связность материнской породы: рухляк, сапролит, глины, суглинки, супеси;
3) продукты физического и химического выветривания, полностью утратившие структурную связность материнской породы: рухляковая разборная скала, рухляковый или сапролитовый щебень, дресва и глинистые грунты с включением щебня и дресвы.
Разнообразие состава и свойств элювиальных грунтов, а также климатические условия района, обуславливают следующие характерные особенности грунтовых условий: сложные напластования грунтов в плане и по глубине, в том числе неравномерное расположение кровли скальных грунтов; высокие прочностные показатели глинистых и пыле-вато-глинистых элювиальных грунтов; глубокое сезонное промерзание грунтов и связанное х ним морозное пучение оснований; , наличие карманов выветривания, представляющих со-<5ой заполненные глинистыми грунтами полости в скальных, крупнообломочных и рухляковых грунтах; интенсивное протекание процессов выветривания, разуплотнения, водонасыщения, промораживания и пучения грунтов после вскрытия котлована.
Многолетние комплексные исследования элювиальных грунтов Урала, выполненные проф. В. Б. Швецом, показывают, что основными причинами недопустимых деформаций зданий и сооружений являются:
1) недостаточный объем инженерно-геологических взысканий и исследований грунтов;
2) неучет при проектировании оснований и фундаментов неоднородности сложения и неравномерности сжимаемости элювиальных образований;
3) нарушение природных свойств грунтов в процессе строительства;
4) изменение свойств элювиальных грунтов в процессе строительства и эксплуатации.
Опыт проектирования и строительства показывает, что под подошвой фундаментов, в большинстве случаев, залегают различные по степени сжимаемости грунты.
Методы же проектирования и строительства традиционных типов фундаментов в настоящее время не позволяют достаточно гибко реагировать на неоднородность основания, что часто приводит к большим неравномерным осадкам зданий и сооружений.
Таким образом, при строительстве на элювиальных грунтах может быть дан целый ряд рекомендаций, позволяющих более точно учитывать особенности условий строительства:
1) в отдельных случаях увеличивать количество разведочных выработок;
2) повышать качество отбора проб грунта ненарушенной структуры;
3) применять более совершенные методы инженерно-геологических изысканий;
4) небольшие по размеру карманы выветривания под подошвой фундамента расчищать и заполнять менее сжимаемыми грунтами;
5) применять искусственные подушки из песка и щебня;
6) устраивать осадочные швы;
7) в проектах оговаривать предельно допустимые сроки простоя открытого котлована или величины недобора, не допуская расструктуривания грунта;
8) предохранять грунты от промерзания.
Существенное повышение эффективности проектных решений оснований и фундаментов, а также обеспечение их надежной эксплуатации может быть достигнуто комплексным подходом как в результате более подробного изучения инженерно-геологической обстановки и условий строительства, так и в результате поиска и разработки новых конструктивных решений и технологии возведения фундаментов, приспособленных к местным условиям. Разработка и экспериментальные исследования щелевых фундаментов могут быть отнесены к начальному этапу такого решения.
Экспериментальные исследования несущей способности щелевых фундаментов выполнены на 2 опытных площадках в Свердловске . Промышленные испытания щелевых столбчатых фундаментов выполнены на объекте внедрения в Нижнем Тагиле. Инженерно-геологические изыскания на экспериментальных площадках проведены трестом «Уралтисиз» совместно с УПИ им. С. М. Кирова. В объем изысканий входило бурение скважин глубиной 10 и 15 м с определением физико-механических характеристик грунтов. Крупномасштабные модели С-1, С-2, С-3 и С-4 изготовлены в траншеях, разработанных насухо. Модели С-5 и С-6 изготовлены под глинистым раствором.
У моделей С-2 и С-3 в процессе испытаний сопротивление подошвы из работы исключалось. Натурные фундаменты СН-1 и СН-З изготовлены в траншеях, разработанных насухо, а фундамент СН-2 — под защитой глинистого раствора. Глинистый раствор был приготовлен из глинопорошка Ханларского месторождения и имел следующие показатели по результатам определений полевой лабораторией ЛГР-3: — плотность р = 1,1 т/м3; .— водоотдача В = 24 см3 за 30 мин; — условная вязкость 22 с; — суточный отстой 1 %; — толщина глинистой корки 2 мм; — стабильность 0,02 г/см3; — статическое напряжение сдвигу СНС 48,1 мг/см3. Все опытные конструкции изготовлены из монолитно-бетона класса В15 с водоцементным Тарировку мессдоз касательных напряжений проводили в стандартном сдвиговом приборе. Опытным путем было установлено, что при приложении сдвигающего усилия влияние нормального давления на мессдозу незначительно. В дальнейшем при тарировке сдвиговых месс-доз оно не учитывалось.
Сдвиговую нагрузку в процессе тарировки прикладывали ступенями, равными 2-Ю4 Па до величины 1,5-105 Па. Гидроизоляция мессдоз сдвига включала нанесение на тензорезисторы слоя эпоксидного клея и заполнение внутренней полости мессдозы консистентной смазкой ЦИАТИМ-201. Мессдозы нормальных напряжений с гидравлическим преобразователем тарировали на образцовом прессе до напряжения 4-Ю5 Па, струнные мессдозы — до нагрузок 5 и 10105Па. Показания мессдоз на тензорезисторной основе снимали при помощи высокочувствительной станции ВСТ-4 с пределом измерений 1 • 10, а струнных — прибором Перед установкой в траншею мессдозы монтировали в кассеты на растворе алебастра. Для фиксации кассет с мессдозами в траншее использовали рычажную систему, ранее применявшуюся ВНИИОСП. Сопротивление грунта сдвигу в точках расположения мессдоз измеряли при статических испытаниях до приложения нагрузки и на каждой ступени нагружения сразу после приложения нагрузки и после наступления условной стабилизации деформаций, а также при разгрузке.
Нормальные обжимающие напряжения в натурных фундаментах определяли до бетонирования траншеи, сразу после бетонирования и после набора бетоном прочности в процессе статических испытаний в начале и в конце каждой ступени нагрузки. Наряду с измерением контактных напряжений программой исследований было предусмотрено изучение деформированного состояния грунта около фундаментов С-6 и СН-1. Деформированное состояние измеряли при помощи глубинных грунтовых марок и способом прокалывания грунта в горизонтальном направлении. Вертикальные марки представляли собой металлическую трубку с наружным 0 6 мм и прикрепленным наконечником 0 12 мм.
Марки устанавливали после устройства фундаментов. Перед установкой марок в проектное положение в фиксированных точках ударным бурением проходили скважину 0 16 мм на требуемую глубину,, в которую затем ниже забоя вдавливали наконечник. Перемещение марок измеряли индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм, закрепляемые к трубкам марок. Подвижной шток индикатора опирался на реперную систему. При испытании модели фундамента С-6 деформации грунта фиксировали как при помощи глубинных марок, так и методом деплантации (искривления) окрашенных горизонтальных полос.
Прокалывание грунта в горизонтальном направлении выполняли из котлована глубиной 2,4 м, расположенного на расстоянии 2 м от опытного фундамента. После устройства горизонтальных скважин 0 16 мм их заполняли раствором подкрашенного мела. Перемещения марок фиксировали в процессе статических испытаний фундаментов в начале и конце каждой ступени нагрузки. Схему деплантации окрашенных полос фиксировали по результатам инструментальных замеров после откопки фундамента.