Понятие об основаниях и требовании к ним

Геологические породы, залегающие в верхних слоях земной коры и исполь­зуемые в строительных целях, называют грунтами. Грунты представляют собой скопление частиц различной величины, между которыми находятся поры (пу­стоты). Прочность сцепления между ча­стицами грунта во много раз меньше прочности самих частиц. Эти частицы образуют скелет грунта.

Основанием называют массив грунта, расположенный под фундаментом и воспринимающий нагрузку от здания. Основания бывают двух видов:

■ есте­ственные и

■ искусственные.

Естественным основанием назы­вают грунт, залегающий под фундамен­том и способный в своем природном состоянии выдержать нагрузку от возведен­ного здания.

Искусственным основанием на­зывают искусственно уплотненный или упрочненный грунт, который в природ­ном состоянии не обладает достаточной несущей способностью по глубине зало­жения фундамента.

Нагрузка, передаваемая фундаментом, вызывает в грунте основания напряжен­ное состояние и деформирует его.

Рис. 4. Напряженная зона грунта основания под подошвой фундамента:

Ь — ширина фундамента, Р — нагрузка от здания, передаваемая фундаментом на основание

На рис. 4 показана примерная форма на­пряженного объема грунта. Как видно из рисунка, глубина и ширина напряженной зоны значительно превышают ширину фундамента.

По мере углубления ниже фундамента область распространения напряжений увеличивается до определенного значе­ния, а их абсолютная величина снижает­ся, и постепенно область распростране­ния напряжений уменьшается. На глуби­не более 6b грунт практически не испыты­вает напряжений.

Действующие нагрузки деформируют основания, вызывая осадку здания.

В со­ответствии с изложенным грунты, соста­вляющие основание, должны отвечать следующим требованиям:

■ обладать до­статочной несущей способностью,

■ обладать малой и равномерной сжимаемостью (большие и неравномерные осадки здания могут привести к его повреждению и да­же разрушению);

■ не быть пучинистыми, т.е. иметь свойство увеличения объема при замерзании влаги в порах грунта (в соответствии с этим требованием выби­рают глубину заложения фундамента, ко­торая должна быть согласована с глуби­ной промерзания грунта в районе строи­тельства);

■ не размываться и не раство­ряться грунтовыми водами, что также приводит к снижению прочности основа­ния и появлению непредусмотренных оса­док здания;

■ не допускать просадок и оползней.

Просадки могут произойти при недостаточной мощности слоя грунта, приня­того за основание, если под ним располагается грунт, имеющий меньшую прочность (более слабый грунт).

Оползни грунта могут возникнуть при наклонном расположении пластов грунта, ограни­ченных крутым рельефом местности.

Главное же внимание при проектирова­нии уделяется вопросу обеспечения рав­номерности осадок. При этом необходимо, прежде всего, учитывать, что нагрузка от здания может вызвать разрушение ос­нования при его недостаточной несущей способности. С другой стороны, основа­ние может и не разрушиться, но осадка здания окажется столь неравномерной, что в стенах здания появятся трещины, а в конструкциях возникнут усилия, могу­щие привести к аварийному состоянию всего здания или его части.

Грунты оснований зданий и сооруже­ний не должны обладать свойством пол­зучести, т. е. способностью к длительной незатухающей деформации под нагруз­кой. Классическим примером этого является почти 800-летняя осадка Пизанской башни, строившейся более 200 лет (рис. 5).

Рис.5. Разрез Пизанской башни.

Грунтовые воды оказывают значитель­ное влияние на структуру, физическое со­стояние и механические свойства грунтов, понижая несущую способность основа­ния.

Если же в грунте содержатся легко рас­творимые в воде вещества (например, гипс), возможно выщелачивание его, что влечет за собой увеличение пористости основания и снижение его несущей спо­собности. Для этого в необходимых слу­чаях понижают уровень грунтовых вод. Когда скорость движения грунтовых вод такова, что возможно вымывание частиц мелкозернистых грунтов, необходимо применять меры по защите основания. Для этого устраивают вокруг здания спе­циальное шпунтовое ограждение или дре­наж.

Каковы же основные виды грунтов и их свойства? Грунты разнообразны по своему составу, структуре и характеру за­легания. Принята следующая строитель­ная классификация грунтов:

Скальные — залегают в виде сплошного массива (граниты, кварциты, песчаники и т. д.) или в виде трещиноватого слоя. Они водоустойчивы, несжимаемы и при отсутствии трещин и пустот являются на­иболее прочными и надежными основа­ниями. Трещиноватые слои скальных грунтов менее прочны.

Крупнообломочные — несвязные облом­ки скальных пород с преобладанием обломков размером более 2 мм (свыше 50 %). К ним можно отнести гравий, ще­бень, гальку, дресву. Эти грунты являют­ся хорошим основанием, если под ними расположен плотный слой.

Песчаные — состоят из частиц круп­ностью от 0,1 до 2 мм. В зависимости от крупности частиц пески разделяют на гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые. Чем крупнее и чище пески, тем большую нагрузку может вы­держать слой основания из него. Сжимае­мость плотного песка невелика, но ско­рость уплотнения под нагрузкой значи­тельна, поэтому осадка сооружений на таких основаниях быстро прекращается. Пески не обладают свойством пластично­сти.

Пылеватые - частицы грунта крупностью от 0,05 до 0,005 мм. Если в песке таких частиц от 15 до 50 %, то их относят к категории пылеватых. Когда в грунте пылеватых частиц больше, чем песчаных, грунт называют пылеватым.

Глинистые — связные грунты, состоя­щие из частиц крупностью менее 0,005 мм, имеющих в основном чешуйча­тую форму. В отличие от песков глины имеют тонкие капилляры и большую удельную поверхность соприкосновения между частицами. Так как поры гли­нистых грунтов в большинстве случаев заполнены водой, то при промерзании глины происходит ее пучение. Несущая способность глинистых оснований зави­сит от влажности. Сухая глина может вы­держивать довольно большую нагрузку. Глинистые грунты делятся на глины (с содержанием глинистых частиц более 30%), суглинки (10...30%) и супеси (3-10%).

Лёссовые (макропористые) — глинистые грунты с содержанием большого количе­ства пылеватых частиц и наличием крупных пор (макропор) в виде верти­кальных трубочек, видимых невоору­женным глазом. Эти грунты в сухом со­стоянии обладают достаточной проч­ностью, но при увлажнении способны давать под нагрузкой большие осадки. Они относятся к просадочным грунтам и при возведении на них зданий требуют надлежащей защиты оснований от увлаж­нения. С органическими примесями (рас­тительный грунт, ил, торф, болотный торф) неоднородны по своему составу, рыхлы, обладают значительной сжимае­мостью. В качестве естественных основа­ний под здания непригодны.

Насыпные — образовавшиеся искусст­венно при засыпке оврагов, прудов, мест свалки и т. п. Обладают свойством не­равномерной сжимаемости, и в большин­стве случаев их нельзя использовать в ка­честве естественных оснований под зда­ния. В практике вст речаются также намы­вные грунты, образовавшиеся в результа­те очистки рек и озер. Эти грунты называют рефулированными насыпными грунтами. Они являются хорошим осно­ванием для зданий.

Плывуны — образуются мелкими песка­ми с илистыми и глинистыми примесями, насыщенными водой. Они непригодны как естественные основания. Основания должны обеспечивать пространственную жесткость и устойчивость здания, поэто­му нормами предусмотрены допустимые величины осадок здания (80... 150 мм в за­висимости от вида здания).

По СНиП II —15 —74 определяют гак же предельную нагрузку, которую можно передать на грунт основания. Давление, вызываемое этой предельной нагрузкой, называют условным расчетным давле­нием (R^н).

Нормами установлены следующие зна­чения условного расчетного давления на основания при глубине заложения от 1 до 2,5 м и ширине подошвы фундамента от 0,6 до 1,5 м:

■ для глинистых грунтов — от 0,1 до 0,6 МПа,

■ для суглинков — от 0,1 до 0,3 МПа (в зависимости от влажности и пористости);

■ для песчаных грунтов — от 0,1 до 0,6 МПа (в зависимости от их крупности и влажности);

■ для супесей — от 0,2 до 0,3 МПа (в зависимости от влажности и плотности);

■ для крупно­обломочных грунтов — от 0,3 до 0,6 МПа (в зависимости от крупности частиц);

■ для скальных грунтов допускается принимать 1/2 сопротивления образцов на сжатие в водонасыщенном состоянии.

Этими данными пользуются только для предварительного расчета размеров фундаментов зданий.

Обычно производят тщательные геоло­гические и гидрогеологические исследова­ния грунтов, с тем чтобы определить их физические и механические свойства, а также принять соответствующее реше­ние о конструкциях здания. Для этого определяют вид и мощность отдельных пластов грунта. В зависимости от этаж­ности здания и местных условий глубина исследования колеблется в пределах от 6 до 15 м и более.

Исследование или разведку грунтов производят путем бурения или шурфова­ния (рис. 6) и лабораторными анали­зами образцов пластов грунта.

Рис. 6. Пример геологического разреза участка строительства здания

План расположения скважин и геологический профиль грунтового массива, где УВГВ – уровень верхних грунтовых вод, УНГВ – уровень низких грунтовых вод

Рис. 7. Колонка буровой скважины

Результаты геологических и гидрогеологических исследований заносят в спе­циальные журналы, после чего соста­вляют чертежи вертикальных разрезов (колонок) буровых скважин или шурфов и по ним — геологического профиля грун­тового массива с указанием полных ха­рактеристик пластов грунта и положения уровня грунтовых вод, что даёт основа­ние для принятия необходимых решений (рис. 6, 7).

Если грунт на участке строительства не удовлетворяет предъявляемым требова­ниям, а здание необходимо возводить именно в этом месте, то устраивают ис­кусственные основания. Такие основания при возведении зданий на слабых грунтах устраивают путем их искусственного упрочнения или заменой слабого грунта более прочным. Упрочнение грунта мо­жет быть осуществлено следующими спо­собами:

■ Уплотнением - пневматическими трамбовками (иногда с втрамбовыванием щебня или гравия) или трамбовочными плитами массой от 2 до 4 т. которые имеют вид усеченного конуса с диаме­тром основания не менее 1 м (из железо­бетона, стали или чугуна). Этот способ применяют в случае, если грунты недо­статочно плотные, а также при насыпных грунтах. Для уплотнения больших пло­щадей используют катки массой 10... 15 т. Если грунты песчаные или пылеватые, то для их уплотнения применяют также по­верхностные вибраторы. Необходимо от­метить, что этот метод является более эффективным, так как грунт уплотняется быстрее.

■ Силикатизацией — для закрепления песков, пылеватых песков (плывунов) и лёссовых грунтов. Для этого в пе­счаный грунт поочередно нагнетают рас­творы жидкого стекла и хлористого каль­ция, для закрепления пылеватых пе­сков — раствор жидкого стекла, смешан­ного с раствором фосфорной кислоты, а для закрепления лёссов - только рас­твор жидкого стекла. В результате нагне­тания указанных растворов грунт по ис­течении определенного времени каменеет и имеет значительно большую несущую способность.

■ Цементацией — путем нагнетания в грунт по трубам жидкого цементного раствора или цементного молока, ко­торые, затвердевая в порах грунта, при­дают ему камневидную структуру. Це­ментацию применяют для укрепления гравелистых, крупных и среднезернистых песков.

■ Обжигом (термическим способом) путем сжигания горючих продуктов, по­даваемых в специально устраиваемые скважины под давлением. Этот способ используют для укрепления лёссовых просадочных грунтов.

Если уплотнить или закрепить грунт затруднительно, слой слабого грунта за­меняют более прочным. Замененный слой гpyнта называют подушкой. При неболь­шой нагрузке на основание применяют песчаные подушки из крупного или сред­ней крупности песка. Толщина подушки должна быть такой, чтобы давление на нижележащий слабый слой грунта не пре­вышало его нормативного сопротивле­ния.

Фундаменты

Фундаменты - подземная конструкция, воспринимающая всю на­грузку от здания и передающая ее на грунт.

Фундаменты являются важным конструк­тивным элементом здания, воспринимаю­щим нагрузку от надземных его частей и передающим ее на основание. Фунда­менты должны удовлетворять требова­ниям прочности, устойчивости, долговеч­ности, технологичности устройства и эко­номичности.

Верхнюю плоскость фундамента, на ко­торой располагаются надземные части здания, называют поверхностью фунда­мента или обрезом, а нижнюю его пло­скость, непосредственно соприкасающуюся с основанием, — подошвой фундамен­та.

Расстояние от спланированной поверх­ности грунта до уровня подошвы назы­вают глубиной заложения фундамента, которая должна соответствовать глубине залегания слоя основания. При этом не­обходимо учитывать глубину промерза­ния грунта (рис. 8). Если основание со­стоит из влажного мелкозернистого грунта (песка мелкого иди пылеватого, супеси, суглинка или глины), то подошву фундамента нужно располагать не выше уровня промерзания грунта.

б

Рис. 8. Определение глубины заложения фундаментов:

а — схема: 1 — подошва фундамента, 2 - тело фун­дамента, 3 — отметка глубины заложения фундамен­та, 4 — отметка глубины промерзания грунта, 5 — отметка уровня грунтовых вод, 6 — планировочная отметка, 7 — стена, 8 — уровень пола 1 этажа, 9 — обрез фундамента, h_ф — глубина заложения фундамента, h - ширина подошвы фундамента,

б — карта нормативных глубин промерзания суглинистых грунтов

На рис. 8. б. приведены изолинии нормативных глу­бин промерзания суглинистых грунтов.

Глубина заложения фундаментов под внутренние стены отапливаемых зданий не зависит от глубины промерзания грун­та; ее назначают не менее 0,5 м от уровня земли или пола подвала.

В непучинистых грунтах (крупнообло­мочных, а также песках гравелистых, крупных и средней крупности) глубина заложения фундаментов также не зависит от природного уровня грунта при планиров­ке подсыпкой, и от планировочной от­метки при планировке участка срезкой.

По конструктивной схеме фундаменты мoгyт быть:

■ ленточные, располагаемые по всей длине стен или в виде сплошной ленты под рядами колонн (рис. 9, а, б);

■ столбчатые, устраиваемые под отдельно стоящие опоры (колонны или столбы), а в ряде случаев и под стены (рис. 9, в, г);

■ сплошные, представляющие собой монолитную плиту под всей площадью здания или его частью и применяемые при особо больших нагрузках на стены или отдельные опоры, а также недоста­точно прочных грунтах в основании (рис. 9, д, е);

■ свайные в виде отдельных погруженных в грунт стержней для переда­чи через них на основание нагрузок от здания (рис. 9, ж).

Рис. 9. Конструктивные схемы фундаментов:

а — ленточный под стены, б — ленточный под колонны, в - столбчатый пол стены, г —отдельный пол колонну, д - сплошной безбалочный, е — сплошной балочный, ж - свайный, 1 — стена, 2 — ленточ­ный фундамент, 3 — железобетонная колонна, 4 - железобетонная фундаментная балка, 5 — столб­чатый фундамент, 6 — ростверк свайного фундамента, 7 — железобетонная фундаментная плита, 8 — сваи