Основания и фундаменты

Фундаментом называется подземная часть здания или соору­жения, предназначенная для передачи давления от них на осно­вание, на котором расположена подошва фундамента, а также распределения давления по подошве с уменьшением ее до допустимой величины. Основания бывают, естественные, когда грунт под фун­даментом остается в естественном состоянии, и искусственные, когда прочность грунта повышают искусственно.

Перед началом проектирования фундаментов, изучают геологи­ческое строение площадки (до определенной глубины) и проводят
гидрогеологические исследования грунтов.

Подошвой фундамента называется нижняя плоскость, посред­ством которой фундамент опирается на грунт. Расстояние от по­верхности земли до подошвы фундамента называют глубиной за­ложения фундамента (h).

Несущую способность основания определяют величиной на­грузки, при которой получается допускаемая по величине и рав­номерности осадка конструкции. Величину нагрузки, отнесенную к единице площади основания, называют расчетным сопротивлени­ем основания и выражают ее в МПа (кгс/см²).

Осадка грунта под фундаментами неизбежна, но она не долж­на вызывать деформацию здания. Особенно опасна неравномерная осадка, которая вызывает появление трещин и может привести здание в аварийное состояние.

Естественные основания. Естественный грунт под фундаментом оставляют в случаях, когда он способен выдержать все нагрузки от сооружения или здания, следовательно, обладает необходимой несущей способно­стью, равной или большей нормативного давления (≥R^н) на грунт.

2.1. Карта глубины промерзания грунта

При назначении глубины заложения фундамента на естественном основании необходимо учитывать геологические и гидрогео­логические условия строительной площадки, возможность пучения грунтов при промерзании (рис. 2.1), величину и характер действующих на основание нагрузок, назначение и конструкцию зданий и сооруже­ний и другие факторы.

Естественным основанием могут быть различные грунты, кото­рые в соответствии со строительными нормами и правилами разделяются на:

скальные грунты – наиболее надежные основания, практически несжимаемые и требующие лишь удаления верхнего выветрившегося слоя (изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткой связью между зернами);

крупнообломочные грунты (несцементированные, имеющие по массе более 50% обломков горных пород) дают малосжимаемые и быстро деформирующиеся основания с расчетным сопротивлением 0,3-0,6 МПа (3-6 кгс/см²). Они являются хо­рошим основанием, если не подвержены размыванию и имеют прочный подстилающий слой;

песчаные грунты – в зависимости от крупности зерен, влажности, плотности и минералогического состава, являются ос­нованиями с различной несущей способностью. Расчетное сопро­тивление песчаных оснований 0,1-0,45 МПа (1-4,5 кгс/см²). Устойчивым основанием считаются песчаные грунты, залегающие плотным слоем и не размываемые водой. Нижний предел несущей способности относится к основаниям на пылеватом песке, разжиженном водой (плывун);

глинистые грунты – это мелкие частицы механически разрушенных и химически разложившихся горных пород (0,005 мм). Несущая способность их в основном зависит от их влажности. Так как сжимаемость глины больше, чем песка, а скорость уплотнения под нагрузкой меньше, осадка сооружений на глинис­тых основаниях продолжается дольше. Поры в глинистых грунтах чаще заполнены водой, поэтому при замерзании они увеличивают­ся в объеме и происходит пучение.

Многие глинистые грунты, в частности лёссы и лёссовидные, обладают макропористостью, т.е. видимыми невооруженным гла­зом порами, величины которых значительно превосходят размеры частиц, составляющих скелет грунта. Макропористые грунты в су­хом состоянии достаточно прочные (до 0,25 МПа), но при зама­чивании теряют вязкость и под действием нагрузки дают просад­ку, часто неравномерную, вызывающую деформации возведенных на них сооружений. Поэтому при проектировании сооружений на лёссовых основаниях следует предусмотреть мероприятия по их за­щите от замачивания.

Искусственные основания. При слабых грунтах естественного залегания и очень глубоком расположении пригодных для основания, а также под сооружения с большими нагрузками, целесообразно искусственное повышение несущей способности грунтов. Укреплять грунты можно осушени­ем, цементацией, битумизацией, силикатизацией, поверхностным или глубинным уплотнением, заменой слабого грунта другим и др.

Осушение грунтов повышает их плотность и несущую спо­собность и может выполняться отводом поверхностных вод и по­нижением уровня грунтовых вод. Отводятся поверхностные воды при помощи тщательной планировки территории с уклоном от зда­ния, а понижается уровень грунтовых вод – устройством постоян­ных дренажей.

Цементация способствует закреплению гравелистых и трещиноватых скальных грунтов. Достигается это нагнетанием цементного молока или цементного раствора через стальные перфорирован­ные трубы.

Битумизация необходима при наличии грунтовых вод пе­редвигающихся на больших скоростях. Проводится она нагнета­нием в грунт разогретого битума через инжекторы.

Силикатизацией закрепляют плывуны, пески и лёссовые грунты. Это так называемое химическое закрепление. Плывуны закрепляются нагнетанием жидкого стекла с фосфорной кислотой, пески – жидкого стекла и хлористого кальция, а лёссовые грун­ты – жидкого стекла.

Уплотнение слабого грунта может быть поверхностным и глубинным. Поверхность уплотняют пневматическим трамбовани­ем, часто с добавкой гравия или щебня. Уплотнение эффективно при маловлажных песчаных, глинистых, макропористых и насып­ных грунтах. Один из способов глубинного уплотнения гидровиб­рирование, когда с помощью вибробулавы в грунте делают ворон­ки, которые засыпают песком. Этим способом уплотняют песча­ные, насыщенные водой грунты.

Замена слабого грунта слоем крупного песка (подушка) наи­более экономичное и простейшее искусственное основание.

Фундаменты. Основные требования к фундаментам заключаются в прочно­сти, долговечности, стойкости к атмосферным воздействиям, индустриальности и экономичности.

Конструктивная форма фундаментов зависит от величины и
характера действующих на него нагрузок и несущей способности
грунтов основания. Глубина заложения фундаментов зависит от
геологического строения стройплощадки и степени промерзания
грунта в данном районе. При пучинистых грунтах (мелкие и пыле­видные пески, супеси, суглинки и др.) глубина заложения фунда­ментов принимается ниже глубины промерзания на 0,1-0,2 м (см. карту 2.1).

По конструктивным особенностям фундаменты делятся на ленточные, располагаемые непрерывно под всем периметром стен зданий и служащие их продолжением; столбчатые (одиночные), устанавливаемые под отдельно стоящие столбы и ко­лонны, а также фундаментные балки, на которые опираются сте­ны; сплошные, располагающиеся под всей площадью здания в виде плиты, и свайные, состоящие из отдельных свай, объеди­ненных вверху сборным или монолитным железобетонным или бе­тонным ростверком (плитой), или балками.

По характеру работы материала, из которого выполнены фун­даменты, они бывают жесткие, работающие в основном на сжатие, и гибкие, работающие на растяжение и скалывание. Жесткие фун­даменты выполняются из бутового камня, бетона или бутобетона, а гибкие – из железобетона.

По способу изготовления различают сборные и монолитные фундаменты. В промышленном строительстве предпочтение отдают сборным фундаментам, так как они отвечают требованиям индуст­риализации, сокращают сроки строительства и наиболее эконо­мичны.

Для защиты фундаментов, наружных стен и колонн от увлажнения атмосферными водами вокруг здания устраивают отмостки шириной не менее 0,5 м с уклоном 0,03-0,1 от здания.

Ленточные фундаменты возводят под каменные несущие сте­ны из бута, бутобетона. Они могут быть из сборного и монолит­ного бетона и железобетона. Их принято делать несколько шире проектных размеров несущих конструкций. Образующийся выступ называется обрезом, и он равен 100-150 мм.

В поперечном сечении ленточные монолитные фундаменты мо­гут иметь форму прямоугольника (при небольших нагрузках на фундамент), трапеции или быть ступенчатыми. Благодаря этому уменьшается давление на единицу площади основания.

В промышленном строительстве применяются бутобетонные и бетонные фундаменты, так как бутовые не отвечают современным требованиям индустриального строительства. В наибольшей сте­пени требованиям индустриализации отвечают сборные бетонные и железобетонные фундаменты из крупных блоков.

Сборные фундаменты состоят из железобетонной подушки, прямоугольной или трапецеидальной, укладываемой на песчаную подготовку, и вертикальной стенки из бетонных блоков прямо­угольной формы. Блоки-подушки имеют толщину 300 и 400 мм и ширину от 800 до 2800 мм, а сте­новые блоки выпускают шириной 300, 400, 500 и 600 мм. Из этих же конструкций возводят стены подвалов. Часто блоки-стенки изготовляют пустотелыми с целью экономии материалов.

Столбчатые фундаменты возводят в производственных каркас­ных зданиях в качестве опор под отдельно стоящие колонны. Вы­полняются они из монолитного или сборного железобетона и име­ют в плане квадратную, реже прямоугольную форму. Нижняя часть фундамента имеет ступенчатое очертание.

Для сборных железобетонных колонн применяют столбчатые фундаменты стаканного типа. Стаканом называется гнездо, расположенное в верхней части фундамента. Глубина стакана должна быть не меньше наибольшего размера сечения ко­лонны. Зазор между колонной и стенками стакана заполняют бе­тоном на мелком заполнителе.

Обрез фундамента располагается на уровне планировочной от­метки земли. Она принимается на 150 мм ниже уровня чистого пола. Под пристенные колонны, расположенные у наружных стен, устраивают столбчатые фундаменты такой же конструкции.

В каркасно-панельных зданиях и в зданиях с самонесущими стенами на столбчатые фундаменты укладывают железобетонные фундаментные балки, на которые опираются стены (рис. 2.2). При большой глубине заложения фундаментные балки укладывают на консоли колонн или на бетонные столбики, а при малой глубине – непосредственно на выступы столбчатых фундаментов.

Фундаментные балки под наружные стены располагаются за наружной гранью колонны, а под внутренние – по линии осей колонны. Их поперечное сечение может быть тавровое, трапеце­идальное и прямоугольное. Наиболее экономичны балки таврово­го сечения. Их изготовляют двух размеров – 6 и 12 м (между ося­ми), причем последние имеют предварительно напряженную ар­матуру.

Высота фундаментных балок 300, 400, 450 и 600 мм, а шири­на по верху 200, 260, 300, 400 и 520 мм. Это соответствует толщи­не наружных стен производственных зданий. Верхняя грань фун­даментной балки должна быть расположена на 30 мм ниже уровня пола помещения. Гидроизоляцию укладывают на верхней гра­ни фундаментной балки. Она состоит из двух слоев рулонного ма­териала (рубероид, толь) на мастике. В сейсмических районах фундаментные балки устраиваются в виде сплошной железобетонной ленты.

Сплошные фундаменты устраивают в случаях, когда нагрузка на фундамент большая, а грунт, расположенный в основании, сла­бый. Конструктивно они решаются в виде железобетонной ребрис­той плиты, расположенной под всей площадью здания.

Свайные фундаменты используют в случаях, когда прочный грунт залегает глубоко. При благоприятных условиях ими заменяют сборные ленточные фундаменты при большой глубине заложения.

Устройство свайных фундаментов сокращает объем земляных работ, расход материалов и стоимость устройства фундаментов. Свайные фундаменты состоят из системы свай, покрытых сверху подушкой (ростверком) из монолитного или сборного же­лезобетона. По характеру работы в грунте сваи бывают висячие и сваи-стойки.

Висячие сваи устраивают в слу­чаях, когда прочный грунт расположен на большой глубине. Они передают грун­ту нагрузку от здания посредством тре­ния, возникающего между сваями и уп­лотненным ими грунтом.

Сваи-стойки опираются концами непосредственно на нижележащие плотные грунты и передают им нагруз­ку от здания. Свайные фундаменты устраивают из забивных, набивных свай-оболочек и завинчиваемых свай. Сваи бывают деревянные, бетонные, железобе­тонные, стальные и грунтовые.

Колонны

В производственных зданиях колон­ны (отдельно стоящие стойки) являются одним из основных элементов каркаса и служат опорами несущих элементов перекрытий, покрытий и для передачи нагрузки на столбчатые фундаменты.

В современных зданиях каркасного типа в основном применяют сборные железобетонные колонны, реже сборно-монолитные и монолитные. Размеры колонн унифици­рованы, что позволяет уменьшить количество типоразмеров.

Колонны одноэтажных зданий отличаются по размерам и конст­рукциям от колонн многоэтажных зданий. Для одноэтажных про­изводственных зданий применяют колонны квадратного, прямо­угольного и двутаврового сечения, а также двухветвевые.

Различают колонны для зданий, оборудованных мостовыми кранами, и для зданий без кранов. Для первых применяют колон­ны прямоугольного сечения (400×600; 400×800; 500×800 мм), с консолями – при высоте помещений до 10,8 м, пролета до 24 м (рис. 2.3).

В бескрановых пролетах устанавливают колонны квадратного (300×300, 400×400, 500×500 мм) или прямоугольного сечения (300×400, 400×500 и 500×600 мм). Это зависит от размеров сет­ки колонн и высоты помещения.

Колонны, ограничивающие крановый пролет, состоят из двух частей: надкрановой (прямоугольной), которая несет нагрузку от покрытия, и подкрановой, расположенной ниже верхнего уровня консоли, на которую опираются подкрановые пути. Крайние ко­лонны кранового пролета имеют одну консоль (выступ), а сред­ние – две, расположенные симметрично по отношению к продоль­ной оси ряда колонн.

В зависимости от расположения, колонны подразделяются на средние, геометрические оси которых совпадают со средними разбивочными осями, и крайние (пристенные). Средние колонны в бескрановых пролетах имеют двусторонние консоли для опирания ферм и балок покрытия.

Для многоэтажных производственных зданий применяют ко­лонны сечением 400×400, и 400×600 мм с одноэтажной и двух­этажной разрезкой. Стыки колонн располагают на 600 мм выше уровня чистого пола. Колонны имеют одинаковое сечение на всех этажах. В отличие от колонн одноэтажных зданий, крайние и сред­ние колонны многоэтажных зданий имеют консоли.

Сборные железобетонные колонны для бытовых помещений и административных зданий имеют сечение 300×300 мм и выпуска­ются заводами высотой в два и три этажа. В колоннах всех типов имеются стальные закладные детали, предназначенные для креп­ления строительных конструкций, стеновых панелей и (при нали­чии) подкрановых балок.

Для надежного закрепления колонны в стакане фундамента длину ее принимают больше высоты первого (нижнего) этажа на 0,9-1,35 м в зависимости от высоты помещения.

Рис. 2.3. Сборные железобетонные колонны производственных зданий:

I – для одноэтажных зданий; а, б – сплошные – для зданий без мостовых кранов; в, г – для зданий с мостовыми кранами; д, е – двухветвевые с мостовыми кранами; II – для многоэтажных зданий: а, б – с одноэтажной разрезкой; в, г – с двухэтажной разрезкой.

2.3. Перекрытия

В последние годы большинство производственных многоэтажных зданий сооружается каркасного типа из сборного железобе­тона, реже сборно-монолитного железобетона.

Сборные междуэтажные и чердачные перекрытия могут иметь конструкции: балочные, безбалочные и кессонные. Наиболее ши­роко в производственных зданиях распространена балочная конструкция благодаря тому, что она собирается из простых в изготов­лении и монтаже конструкций с несложными соединениями.

Безбалочные перекрытия удобны в помещениях, где требуется устройство плоского потолка. Существует несколько конструкций безбалочных и кессонных перекрытий, но они сложнее балочных (рис. 2.4).

Перекрытие состоит из двух элементов: ригеля, опирающегося на консоли колонн, и настила перекрытия (ребристого или пустотелого), который укладывается на ригели (рис. 2.5). Отдельные элементы перекрытия соединяются сваркой закладных деталей, расположенных в них.

Балочные перекрытия устраивают при сетке колонн 6×6, 9×6 м. Существуют конструкции перекрытий с сеткой колонн 12×6 м. При сетке колонн 6×6 м ригель можно распола­гать вдоль и поперек здания, а при 9×6 м ригель обычно распо­лагают поперек здания.

Покрытия многоэтажных производственных зданий чаще вы­полняются плоскими. Если сетка

колонн верхнего этажа имеет размеры сетки колонн многоэтажных зданий (6×6, 9×6 и 12×6 м), то и соответственно конструкция покрытия чаще берется такая же, как для междуэтажного перекрытия. Когда для верхнего этажа принята сетка колонн одноэтажного здания (18×6, 24×6 м и др.), то и конструкцию покрытия принимают такой же, как для од­ноэтажных зданий.

Покрытия и кровли

Покрытие (крыши) предох­раняет здание от атмосферных воздействий и отводит дожде­вые и талые воды с кровли здания, а также при необходи­мости сохраняет в помещениях заданный температурно-влажностный режим. Крыша долж­на отвечать предъявляемым к ней требованиям по теплоизоляции и водонепроницаемости и обладать достаточной несущей способностью.

Собственный вес крыши, а также другие нагрузки (снег, ветер, подвесной транспорт и т. п.) воспринимают несущие конструкции покрытия, которые в производственных зданиях состоят из основ­ных несущих конструкций (фермы, балки), несущих элементов ограждающей части покрытий (плиты покрытия) и, в отдельных случаях, подстропильных конструкций.

В производственных зданиях устраивают бесчердачные покры­тия (совмещенные крыши) плоские или скатные. В них совмещают конструкции чердачного перекрытия и крыши.

Покрытия производственных зданий могут быть утепленными и неутепленными (холодными).

Утепленные покрытия устраивают в отапливаемых зданиях с нормальным температурно-влажностным режимом, а также в зда­ниях, в которых поддерживается повышенная или пониженная температура. Водонепроницаемость покрытию придает слой гид­роизоляции (кровля).

В холодных покрытиях кровлю устраивают непосредственно по выравнивающему слою, уложенному по несущим элементам ог­раждающей части покрытия (плитам покрытия). В утепленных покрытиях по выравнивающему слою укладывают утеплитель, за­тем стяжку и кровлю, а при необходимости прокладывают пароизоляцию.

Пароизоляция. Пароизоляцией предохраняют утеплитель от увлажнения парами внутреннего воздуха.

Пароизоляцию устраивают по цементной стяжке, покрывающей плиты покрытия, и, в зависимости от влажности помещения, ее можно выполнять в виде смазки битумной или дегтевой мастики, а также из 1-2 слоев рубероида или пергамина на битумной мастике. Если плиты покрытия выполнены из легких бетонов, то пароизоляцию выполняют в виде окраски специальными составами внутренней части плиты.

Утеплитель (теплоизоляционный слой).Утеплитель является ограждающей частью теплого покрытия и предназначается для сохранения заданной внутренней темпера­туры в помещении и для тепловой изоляции от теплопотерь через покрытия. Толщину его устанавливают в зависимости от внутренней температуры и влажности помещений, расчетной наружной температуры воздуха и свойств теплоизоляционного материала.

Обычно для утепления покрытий производственных зданий применяют газобетон, пенобетон, керамзитобетон, минераловатные плиты, минеральную пробку, пенополистерол и другие материалы.

Кровля.Кровля – это водоизоляционный слой крыши. Современные крыши производственных зданий обычно покрывают рулонными кровельными материалами. Их наклеивают на битумные или дег­тевые мастики. В зависимости от уклона крыши, который может быть от 0 до 25%, водоизоляционный слой может состоять из 1-5 слоев толя на дегтевой мастике, рубероида, стеклорубероида или гидроизола на битумной мастике и др.

Водоизоляционный слой наклеивают на стяжку, чаще асфаль­товую. По водоизоляционному ковру на плоских кровлях и кров­лях с малым уклоном укладывают защитный слой из мелкого гра­вия, втопленного в мастику. Он предохраняет кровельный ковер от механических повреждений. Сейчас для кровель промышленных зданий применяют также стальной оцинкованный профилирован­ный настил, кровельные панели из алюминия, асбестоцементные
панели и др.