16. Основания и фундаменты

16.1. Основания

16.1.1. Характеристики грунтов оснований

Основанием называется массив грунта, находящийся под фундаментом и воспринимающий всю нагрузку от здания. Нагрузки, передаваемые на основание, вызывают в нем напряжённое состояние и соответственно деформации. На рис. 16.1 показана примерная форма напряжённой зоны грунта основания под фундаментом. Если за 1,0 принять величину напряжения под подошвой фундамента в средней её части, то на глубине, равной ширине подошвы фундамента b напряжение составляет 0,55, на глубине 2b – 0,31, на глубине 3b – 0,21, т. е. напряжения уменьшаются, а зона напряжений расширяется, и примерно на глубине 6b величина напряжения сходит на нет.

Рис. 16.1. Напряжённая зона в грунте основания под подошвой фундамента

Под действием нагрузки (напряжений) основание деформируется вследствие уплотнения грунта, что вызывает осадку зданий. При равномерных осадках все элементы здания опускаются одинаково по всей площади, что не вызывает дополнительных напряжений в конструкциях здания, а при неравномерной осадке основания и элементов здания в конструкциях здания возникают дополнительные напряжения, которые могут вызывать трещины, разрывы и даже разрушение здания. Поэтому для нормальной работы конструкций зданий и зданий в целом не так важна величина осадки здания, а степень её неравномерности.

К грунтам оснований предъявляются следующие основные требования: достаточная несущая способность, небольшая и равномерная сжимаемость для обеспечения равномерной и допустимой осадки здания, неподвижность, стойкость против выщелачивания и размывания грунтовыми водами, непучение при промерзании.

Грунты оснований – это геологические породы, находящиеся в верхней части земной коры, состоящие из твёрдых частиц (зёрен), образующих скелет грунта, и пор, заполненных воздухом или водой. Грунты, которые могут быть использованы в качестве оснований, делятся на скальные и нескальные.

К скальным грунтам относятся изверженные, осадочные и метаморфические породы, залегающие большими сплошными или трещиноватыми массивами. Зерна в массивах скальных грунтов прочно спаяны между собой. Эти грунты практически не сжимаемы под действием нагрузок от зданий и сооружений и, вследствие этого, они являются для них надёжным основанием, но из-за большой глубины залегания эти грунты редко могут быть использованы в качестве оснований.

К нескальным грунтам относятся крупнообломочные, песчаные, глинистые грунты и их разновидности.

К крупнообломочным относятся грунты, содержащие более 50 % по массе зёрен кристаллических или осадочных пород крупнее 2 мм. Такие грунты малосжимаемы, не пучинят при замерзании и при больших массивах залегания являются хорошим прочным основанием. Крупнообломочные грунты с преобладанием щебня или гравия крупнее 10 мм называется соответственно щебенистыми или гравелистыми, а мельче 10 мм – соответственно дресвяными или галечниковыми.

Песчаные грунты – это грунты, содержащие менее 50 % по массе частиц крупнее 2 мм. В зависимости от крупности зёрен они делятся на гравелистые, крупные, средние, мелкие и пылеватые. Грунты из гравелистых, крупных и средних песков при достаточной мощности слоя залегания являются хорошим основанием и при замерзании эти грунты не пучинят. Мелкие и пылеватые пески в водонасыщенном состоянии становятся текучими, т. е. образуют «плывуны». Возведение зданий на таких грунтах сопряжено с большими трудностями, т. е. требуется укрепление этих грунтов.

Глинистые грунты состоят из мелких, связанных между собой частиц чешуйчатой формы, поры между которыми заполнены водой, что при промерзании приводит к пучению этих грунтов. Грунты, содержащие от 3 до 10 % глинистых частиц, называются супесями, а от 10 до 30 % – суглинками. В сухом или маловлажном состоянии глинистые грунты имеют высокую прочность и являются хорошим основанием, но при увлажнении их несущая способность снижается. Глинистые грунты, имеющие влажность на пределе текучести, не пригодны в естественном состоянии для оснований зданий и сооружений.

Просадочные (лёссовые или лёссовидные) грунты являются разновидностью глинистых грунтов, имеющих тонкодисперсную структуру и высокую пористость (более 50 %) и содержащих водорастворимые соли. В сухом состоянии эти грунты имеют достаточную прочность, но при увлажнении из-за растворения солей они теряют связность и под нагрузкой уплотняются, образуя просадки. Просадочные грунты можно использовать в качестве оснований при их защите от атмосферной или производственной влаги или от подтопления грунтовой водой.

Насыпные грунты состоят из разнообразных пород и бытовых отходов. Они характеризуются неоднородностью и большими неравномерными осадками. Со временем плотность насыпных грунтов увеличивается под воздействием атмосферных осадков, при этом продолжительность самоуплотнения зависит от вида грунтов. Так, например, насыпи из песчаных грунтов самоуплотняется за 2–3 года, и из глинистых грунтов – за 5–7 лет.

Пригодность тех или иных грунтов для оснований под определённые здания или сооружения определяется на основе анализа геологоразведочных данных. При исследовании грунтов выявляют данные, характеризующие их несущую способность, объёмную массу, угол внутреннего трения, удельное сцепление и модуль деформации, а также определяется уровень грунтовых вод и их химическая агрессивность, наличие неводостойких грунтов и др.