8. Естественные и искусственные основания. Требования к основаниям. Классификация грунтов. Устройство искусственных оснований.

Основанием называется массив грунта, испытывающий давление от здания. Важнейшее условие, обеспечивающее прочность и устойчивость здания или сооружения— надежность основания. Основания подразделяются на естественные и искусственные. Естественными основаниями являются грунты. Грунтами называют горные породы, прочность сцепления между минеральными частицами которых во много раз меньше прочности самих частиц. Во многих случаях строить приходится на скальных породах, которые также являются естественными основаниями и представляют собой горные породы, состоящие из частиц, крепко связанных между собой и залегающих в виде сплошного массива. Естественные основания под здания и сооружения должны удовлетворять ряду требований: 1) обладать достаточной несущей способностью1; (Грунты с малой несущей способностью, а также неравномерно сжимаемые грунты вызывают большие и неравномерные осадки здания, приводящие к повреждению и даже разрушению.) 2) иметь равномерную сжимаемость; 3) не подвергаться пучению; 4) не размываться и не растворяться грунтовыми водами; 5)      не допускать просадок и оползней. (Просадки   могут   произойти   при   недостаточной   мощности   слоя грунта, принятого за основание, если под ним располагается слабый грунт. Оползни  могут  иметь   место  при  наклонном   расположении пластов грунта, ограниченных крутым откосом или косогором.) Грунты различаются по составу, структуре и характеру напластования. Несущая способность грунтов зависит от физических свойств (гранулометрического состава, плотности и влажности) и характеризуется величиной нормативного давления Кн в кг/см2. СНиП предусматривает следующую классификацию грунтов. Скальные грунты залегают сплошными массивами (при отсутствии трещин или пустот) и являются наиболее прочным естественным основанием. К скальным грунтам относят граниты, кварциты, песчаники, известняки и др. Крупнообломочные грунты представляют собой несвязанные обломки скальных пород, содержащих свыше 50% обломков крупнее 2 мм, и подразделяются на щебень, дресву, гальку и гравий. Они не подвержены вспучиванию, малосжимаемы, не размываются водой. Так же как и скальные грунты, они являются надежным основанием. Песчаные грунты состоят из частиц размером от 0,1 до 2 мм и подразделяются на гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые, а по минеральному составу — на кварцевые, сланцевые и известковые. Наиболее прочны кварцевые пески. С увеличением содержания пылеватых и глинистых частиц прочность песчаного грунта уменьшается. Вследствие значительной водопроницаемости увлажнение гравелистых, крупных и средней крупности песков почти не сказывается на их механических свойствах, а насыщенные водой мелкие и пылеватые пески становятся текучими (плывуны), приобретают подвижность. Это ведет к резкому снижению несущей способности. Крупные и чистые пески при промерзании не вспучиваются, дают быструю (неизменяемую) осадку под нагрузкой и являются хорошим основанием. Глинистые-грунты состоят из мельчайших частиц чешуйчатой формы. К глинистым грунтам относятся глина, супеси и суглинки. Глиной называют глинистый грунт, содержащий более 30% глинистых частиц, суглинком — грунт, содержащий 10—30%, супесью —3—10%. В зависимости от влажности глинистые грунты могут находиться в твердом, пластичном или текучем состоянии. Несущая способность твердых глин больше, чем у пластичных. При замерзании, а затем оттаивании глинистые грунты вспучиваются. Вследствие небольшой скорости уплотнения частиц грунты обладают длительной осадкой под нагрузкой. Кроме перечисленных грунтов при возведении фундаментов часто встречаются растительные грунты (верхний гамусовый слой). Эти грунты не пригодны для оснований из-за неоднородности состава и сильной сжимаемости под нагрузкой. Встречаются насыпные грунты, также не представляющие собой надежного основания1. Под действием нагрузки от здания грунты испытывают сжимающие напряжения и, уплотняясь, вызывают осадку здания. Величина возможной осадки зданий проверяется расчетом и не должна превышать допускаемой нормы (80—150 мм, что зависит от конструктивной жесткости здания). СНиП установлено нормативное давление (/?„) на грунты: для скальных — 0,5 кг/см2 временного сопротивления образцов грунта на сжатие в водонасыщенном состоянии; для крупнообломочных — от 3 до 6 кг/см2; для песчаных (в зависимости от их крупности и влажности) —от 1 до 4,5 кг/см2; для глинистых (в зависимости от их плотности и влажности) — от 1 до 6 кг/м2. В период изыскательских работ, на начальном этапе проектирования, грунты на участке строительства исследуют с целью определения характера напластований, толщины слоев, физико-механических свойств грунтов, вида грунтовой воды и уровня ее стояния. Геологические и гидрогеологические исследования осуществляют бурением скважин или рытьем шурфов (колодцев) и лабораторными анализами образцов грунта. Буровой скважиной называется вертикальное отверстие диаметром 75—200 мм, устраиваемое в грунте при помощи специальных буровых инструментов. Для того чтобы стенки скважин не обсыпались, при ее устройстве опускают стальные, так называемые обсадные трубы, которые затем извлекают из грунта. Шурфом называется выкапываемый в грунте колодец, обычно квадратной формы, стенки которого во избежание обрушения снабжают деревянными «крепями» (стойки, доски или пластины). При наличии грунтовых вод на участке строительства здания производится их химический анализ. Особенно важен химический анализ в том случае, если грунтовые воды агрессивны и могут оказывать разрушающие действия на материал фундаментов. Данные исследования заносят в специальные журналы и на основании полученных результатов составляют чертежи вертикальных разрезов (колонок) буровых скважин или шурфов (рис. ИМ). По полученным данным составляется геологический профиль грунтового массива с указанием положений пластов грунта и уровня грунтовых вод. Все указанные характеристики грунтов и материалы их исследования позволяют правильно выбрать основание под здание. Естественным основанием под фундамент сооружения может служить пласт грунта, который защищен от выветривания и обладает достаточной прочностью (малой и равномерной сжимаемостью), трудной размываемо-стью, достаточной мощностью и неподвижностью. Мощность пласта под подошвой фундамента имеет особо важное значение и считается достаточной в том случае, когда толщина его не меньше ширины подошвы. При строительстве многоэтажных зданий и при малой несущей способности грунта приходится прибегать к конструкциям, предусматривающим распределение нагрузки от здания на возможно большую площадь с тем, чтобы уменьшить давление на грунт. Это достигается путем устройства под подошвой фундамента либо так называемой подушки из песка или бетона, либо железобетонной плиты. В песчаной или бетонной подушке давление распределяется под углом около 45°, поэтому такая подушка может быть эффективной только при малых размерах подошвы фундамента и при относительно большой толщине подушки. Более эффективной будет железобетонная плита, допускающая распределение нагрузки на более значительную площадь. В тех случаях, когда грунт по своим механическим свойствам непригоден для использования в качестве естественного основания, возникает необходимость устройства искусственного основания. В простейшем случае устройство искусственного основания может быть достигнуто уплотнением поверхности грунта при помощи вибраторов и механических трамбовок. В некоторых случаях несущую способность грунта повышают путем втрамбовывания в него щебня на глубину 100—150 мм. Более эффективными средствами являются цементация —введение в грунт жидкого цементного раствора под давлением, силикатизация — нагнетание в грунт силикатных растворов (например, жидкое стекло и хлористый кальций), термическая обработка грунта — сжигание горючих продуктов (в скважинах при укреплении лессовых просадочных грунтов).

9. Фундаменты, требования к ним.

ундаменты являются опорной частью оборудования и передают на грунт давление от его веса и сил, возникающих при работе. Кроме того, фундаменты придают оборудованию дополнительную жесткость и устойчивость.

Для нормальной работы оборудования фундамент должен обеспечивать:

• распределение на грунт сил от веса оборудования в соответствии с несущей способностью грунта;

• заданное при монтаже положение оборудования при всех грунтовых условиях;

• жесткость станины оборудования путем включения фундамента в общую систему;

• необходимую устойчивость оборудования за счет понижения центра тяжести всей установки;

• увеличение массы всего агрегата, а следовательно, уменьшение возможных амплитуд смещений при вибрациях и ударном действии сил;

• благоприятное влияние грунта как фактора демпфирования вибрации;

• защиту оборудования от внешних воздействий при работе окружающих машин и механизмов.

Неправильная конструкция фундамента может привести к возникновению вибраций, преждевременному износу оборудования, неточности работы, ухудшению качества обрабатываемых поверхностей, к смещению оборудования с установленного места, к износу станины и нарушению регулировок.

При устройстве фундаментов под оборудование необходимо стремиться к тому, чтобы общий центр тяжести фундамента и машины и центр тяжести подошвы фундамента находились на одной вертикали. Эксцентриситет для грунтов с расчетным нормативным давлением до 1,5 кгс/см2 — должен быть не более 3%, а для грунтов с нормативным давлением больше 1,5 кгс/см2 — не более 5% размера той стороны подошвы, в направлении которой происходит смещение центра тяжести.

Высота фундаментов и глубина их заложения зависит от особенностей грунта и определяется геологическими исследованиями.

Для обеспечения спокойной работы оборудования высоту фундамента нужно делать возможно меньшей, а его горизонтальные размеры большими, так как при этом уменьшается плечо действия горизонтальных сил и возрастает момент реактивного сопротивления грунта. Фундаменты под оборудование необходимо отделять от надземных и подземных соседних конструкций путем устройства зазора по всему периметру величиной не менее 0,5 м.

Форма и размеры фундамента в плане должны соответствовать форме поверхности оборудования, соприкасающегося с фундаментом, но в более упрощенном виде. Эта форма определяется главным образом схемой передачи нагрузок от станины на обрез фундамента.

При установке на фундаменты станков для точных работ, которые имеют значительные размеры и не обладают достаточной жесткостью станин, применяют регулируемые клинья или башмаки. При этом необходимо обеспечить удобную регулировку всех установочных клиньев для периодической выверки станка.

Высокоточные станки с жесткой станиной устанавливаются так, чтобы все деформации от действия внешних сил (неравномерность осадки фундамента и др.) не передавались от фундамента к станине и не нарушали точности станка. Такие станины устанавливаются на три опорные точки.

Верхняя часть фундамента таких станков должна выполняться по чертежам фундамента технических документов станка.

В зависимости от устанавливаемого оборудования фундаменты подразделяются на пять групп.

К первой группе относятся фундаменты общего назначения. Они используются для установки оборудования среднего веса и габаритов, работающих при умеренных режимах (транспортеры, конвейеры, насосы и т.п.). Конструкция таких фундаментов проста и обычно представляет собой бетонные или кирпичные блоки. Вторая группа фундаментов включает фундаменты для машин с кривошипно-шатунными механизмами (поршневые машины, лесопильные рамы и т.п.). К третьей группе относятся фундаменты для машин с ударными нагрузками (ковочные молоты, копры и т.д.); они имеют значительные размеры и вес, а также упругие элементы, смягчающие удар. Четвертая группа объединяет фундаменты под тяжелое оборудование (турбоагрегаты, прокатные станы и т.п.). Эти фундаменты имеют значительные размеры и вес. Пятая группа объединяет фундаменты под легкие, средние и тяжелые металлорежущие станки.

Металлорежущие станки легкого и среднего веса устанавливаются обычно на бетонную подушку или на специально подготовленную бетонную подкладку пола. Под шлифовальные, зубообрабатывающие и отделочные станки обычно изготовляют специальные фундаменты. Фундаменты под тяжелые станки, а также под уникальные станки проектируются индивидуально; они имеют сложную конфигурацию и большой вес.

Для изготовления бетонных фундаментов обычно применяют портландцемент марок от 200 до 600. Сроки схватывания этого цемента: начало — не менее чем через 45 мин, конец — не более чем через 12 ч.

Заполнители для бетонов и растворов различаются по следующим признакам:

1. по наибольшему размеру зерен (делятся на мелкие — пески с зернами до 5 мм и крупные — гравий, щебень — из кусков размерами 5-150 мм);

2. по происхождению: природные (природный песок, гравий) или полученные дроблением и рассевом горных пород (песок, щебень) и искусственные (шлак и металлургические, битый кирпич);

3. по объемному насыпному весу в сухом состоянии: тяжелые с объемным насыпным весом песка >1200 кгс/м3 и крупных заполнителей — >1000 кгс/м3 и пористые с объемным насыпным весом песка <1200 кгс/м3 и крупных заполнителей — <1000 кгс/м3;

4. по назначению: для бетонов (крупные заполнители — щебень и гравий, мелкие — песок) и для растворов (только мелкие заполнители — песок).

При изготовлении фундаментов необходимо выполнить следующие основные технические условия. Фундаменты должны изготовляться по чертежам, которые должны содержать данные о материале, расположении осей фундамента относительно осей здания или других машин и проектные высотные отметки. При изготовлении фундаментов больших объемов (более 150 м3) их оси должны отмечаться реперами, вынесенными за пределы здания (бетонные столбы размером 50х50 см, врытые в землю на глубину не менее 0,2 м ниже уровня промерзания грунта).

Материалом для фундаментов может быть бетон или железобетон. Перед укладкой бетона в котлован проверяется установка закладных частей и анкерных болтов, а опалубка очищается от грязи и мусора. Бетон для фундамента должен поступать с бетонного завода в готовом виде: укладка его должна производиться механизированным способом с применением вибраторов с высоты не более 2 м и не позднее, чем 1,5 ч после его приготовления.

Для изготовления фундаментов применяются следующие марки бетона:

• под металлорежущие и металлообрабатывающие станки, транспортеры и другие машины со спокойным и уравновешенным режимом работы — 75-90;

• под тяжелые машины и машины с неуравновешенным режимом работы (механизмы прокатных станов, кузнечно-прессовые машины, тяжелые металлорежущие станки, двигатели внутреннего сгорания и паровые машины, пути для передвижения крапов и т.п.) — 90-110;

• под тяжелые и ответственные машины, к работе которых предъявляются повышенные требования в отношении возникающих вибраций (агрегаты с турбинным приводом, мощные насосы, вентиляторы, точные металлорежущие станки и т.п.) — 110-140.

Оценить прочность бетона можно по звуку при ударе и по состоянию поверхности после удара. Так, бетон марки 110-140 издает при ударе его молотком звонкий звук, на поверхности от удара молотка почти не остается следов, а при легкой насечке острым зубилом остается слабый след; бетон марки 60-90 издает глухой звук, от удара молотком остаются вмятины, а при ударе острым зубилом насечки глубиной 1-1,5 мм; бетон марки 30-50 издает мягкий звук, при ударе молотком получаются вмятины с осыпающимися краями, а при ударе острым зубилом он режется и осыпается.

При изготовлении бетона водоцементное отношение (отношение веса воды к весу цемента) принимается 0,5-0,7 для придания бетонной смеси большей подвижности. С понижением температуры скорость твердения бетона понижается. В качестве добавок, повышающих стойкость бетона к водной среде, применяются трассы, пемзы, вулканические туфы, диатомиты, трепелы, опоки, кислые и основные гранулированные доменные шлаки, кислые золы. Если необходимо ускорить подготовку фундамента под монтаж, рекомендуется применять глиноземистый цемент (марки 400, 500 пли 600), прочность которого за сутки достигает 80% от проектной. Укладывать эту смесь необходимо при максимально допустимой температуре. Ускорить твердение бетона можно за счет температурной обработки (для получения 70% проектной прочности нужно дать 2000 град/ч при температуре 50-60 С).

Монтаж оборудования допускается при достижении прочности бетона не ниже 50% от проектной прочности на сжатие. К моменту пуска средне и тяжело нагруженных станков прочность бетона должна быть не менее 70% от проектной.

Классификация фундаментов по материалу, конструктивной схеме, способу возведения.

Здание состоит из подземных и надземных конструкций. Конструктивные элементы здания, находящиеся ниже «нулевой» отметки, относятся к подземной части здания или сооружения. В свою очередь, подземная часть здания состоит из стен подвала или технического этажа, на которые опираются конструкции перекрытия «нулевого» цикла, фундамента и естественного или искусственного основания, куда через конструкции фундамента передается давление от веса здания или сооружения.

При определении типа фундамента и основания архитектор совместно с инженером руководствуется прежде всего характером и механическими качествами грунтов, слагающих основание под объект проектирования.

• искусственно уплотненный грунт (методами механической трамбовки, гидровзрыва, цементации, силикатизации и т. д. );

• несжимаемый грунт, отсыпанный вместо естественно, слабонесущих грунтов;

• свайные поля различных типов.

Главными условиями при проектировании фундаментов под здания или сооружения являются определение оптимальной глубины заложения подошвы фундамента, с одной стороны, и с другой стороны — максимальное облегчение конструкций подземной части здания, что позволило бы сохранить экологическую нагрузку на природу подземного пространства. С этой точки зрения, свайные поля глубокого заложения представляют собой серьезную угрозу экологии.

Заглубленный ниже поверхности грунта конструктивный элемент, воспринимающий нагрузки от здания и передающий их основанию, называют фундаментом.

Расстояние от спланированной поверхности грунта до подошвы фундамента называют глубиной заложения фундамента.

Фундаменты классифицируют:

• по материалу: из естественных материалов (дерево, бутовый камень) и из искусственных материалов (бутобетон, бетон сборный или монолитный, железобетон);

• по форме: оптимальной формой поперечного сечения жестких фундаментов является трапеция, где обычно угол распределения давления принимают: для бута и бутобетона — 27—33°, бетона — 45°. Практически эти фундаменты с учетом потребностей расчетной ширины подошвы могут быть прямоугольными и ступенчатыми. Блоки-подушки выполняют прямоугольной или трапециевидной формы;

• по способу возведения фундаменты бывают сборными и монолитными;

• по конструкционному решению — ленточные, столбчатые, свайные, сплошные;

• по характеру статической работы фундаменты бывают: жесткие, работающие только на сжатие, и гибкие, конструкции которых рассчитаны на восприятие растягивающих усилий. К первому виду относят все фундаменты, кроме железобетонных. Гибкие железобетонные фундаменты способны воспринимать растягивающие усилия;

• по глубине заложения: фундаменты мелкого заложения (до 5 м) и глубокого заложения (более 5 м). Минимальную глубину заложения фундаментов для отапливаемых зданий принимают под наружные стены не менее глубины промерзания плюс 100—200 мм и не менее 0,7 м; под внутренние стены не менее 0,5 м.

10. Свайные фундаменты.

Общие сведения

Люди издревле использовали свайные фундаменты при строительстве своих домов. Многие здания и даже хижины в регионах, затапливаемых водой, строились на деревянных сваях, возвышающих здания на несколько метров над уровнем земли. Свайные постройки служили надежным убежищем и от диких зверей, так как вход в жилище был поднят над землей. В древности сваи изготавливали и забивали в грунт вручную. Занятие это было далеко не простое и очень трудоемкое. Для того чтобы изготовить при помощи топора сотни свай (а под некоторые здания их требовалось тысячи), перевести их к месту постройки, вбить в почву, требовалось множество рабочих рук. Трудно себе представить, сколько дубовых свай было забито при строительстве Петербурга, если при перестройке Петропаловскои крепости в каменную (1706 - 1740 г.) потребовалось 40 тысяч свай. Эта перестройка длилась с перерывами более 30 лет.

В XIX веке был создан паровой копер, способный в течение одного часа забить 10 - 15 свай. Постепенно паровой копер был заменен на более современные конструкции, которые в настоящее время легко забивают сваи длиной 12 м и более.

Свайные фундаменты возводят на участках со слабым грунтом под здания в несколько этажей. Эти фундаменты дают возможность полностью исключить земляные работы в бесподвальных зданиях или сократить их объем при наличии технического подполья. Сваи принимают нагрузку от стен здания и сооружения и передают их нижележащим слоям грунта. Сваи либо забивают в грунт при помощи специальной сваебойной техники (забивные сваи), либо устраивают буро-набивные сваи, заполняя пробуренные скважины бетоном (набивные сваи). Требуемая длина свай заранее рассчитывается, но обычно в индивидуальном домостроении она составляет 4- 6 м.

Классификация по материалу, характеру работы, способу погружения в грунт.

Свая- вертикальный или наклонный стержень, погруженный в грунт и служащий для передачи нагрузки от здания на грунт.

Ростверк-конструкция для передачи нагрузки от здания или сооружения на сваю.

Основное назначение свай: прорезка слабых грунтов верхней части инж.-геолог. Разреза и передача нагр на более прочные слои грунта.

Длина свай зависит: инж-геол условий строит. Площадки (глубина заложения несущего пласта); нагрузок передающ на сваю от здания; возможности строительной индустрии.

Классификация свай:

1. По материалу: ж/б,Металлич, деревянные, комбинированные.

2. По форме поперечного сечения: круглые сплошные и пустотные,квадратные, прямоугольные, квадратные  с круглой полостью, крестообразные, тавровые и др.

3. По форме продольного сечения а) призматические, цилиндрические б)пирамидальные, конусоидальные в)комбовидная г)многопрофильная д) продольнорасчлененная.

 

1. По способу погружения в грунт:забивные(погруж в грунт посредством энергии удара дизель –молота,муромолота, паровозд молота и др.); вдаливаемые (посредством приложения к верх концу сваи нагрузки с помощью гидравлических домкратов и др.) завинчиванием (металич. винтовые сваи); вибропогружение (посредством динамических усилий или динамические усилия fвдавлив усилия прим в песках)буронабивные сваи(а)буровые (б)набивные (сваи изг без выемки грунта из скважин)

2. По характеру работы в грунте :сваи стойки (нижний конец сваи опирается в практически несжимаемый грунт, нагрузка восприним. Сопротивл грунта под нижним концом сваи,боковые(примерно 0%) висячие сваи( нагр воспринимается сопротивл грунта под нижним концом (лобовые) и силами трения по боковой пов-ти (боковые) сваи бокове (20-40%) и лобове(60-80%))

Классификация ростверков:

1. По расположению относительно по-ти грунта:         

2. По мат-лу и изготовлению : -ж/б, металлические, бетонные\\\\\\-сборные,монолитные,сборно-монолит.

3. По расположению свай в ростверке: отдельностоящие , на одну сваю, ленточные.

 

Сопряжение надземных конструкций (колонн и стен) с ростверками аналогично фунд мелкого заложения.

Ростверк.

Фундамент — это важная несущая конструкция здания, которая принимает на себя нагрузки и передает их земле. Для выбора фундамента необходимо учитывать массу будущей постройки и качество грунта, на которой она будет возведена. Различают ленточный, плитный и столбчатый фундамент. К столбчатому относится ростверк.

Ростверк является очень важной частью фундамента, от немецкого слова Rostwerk, где Rost — решетка, Werk — строение. В итоге мы получаем конструкцию, объединяющую сваи в одно целое. Фундамент ростверк служит для равномерного распределения нагрузок на сваи. Обычно он представлен в виде железобетонной плиты или балки. Ростверк предназначен для того, чтобы через сваи передать нагрузку на грунт от всей наземной части дома. В деревянных домах роль такого ростверка играет нижний венец строения, поэтому в дальнейшем рассмотрим кирпичные постройки.

Фундамент ростверк может быть выполнен в виде плиты или ленты. Плитный ростверк объединяет оголовки всех свай; ленточный — оголовки соседних свай, расположенных под стенами дома.

Для устройства ростверка применяются различные материалы: дерево, сталь, монолитный или сборный железобетон. Применять металл не рекомендуется из-за его большого расхода. Для такого ростверка потребуется кран, а также будет необходима антикоррозийная обработка. Самым технологически выгодным, практичным и недорогим вариантом является монолитный железобетонный ростверк.

Различают три вида ростверка относительно уровня земли:

При повышенном и заглубленном ростверке со временем осыпается грунт и заполняет пустоту между землей и подошвой ростверка. В дальнейшем на него будет действовать морозное пучение грунта. Чтобы избежать этого, из листов железа или гладкого шифера ограждают пустоту от грунта.

Железобетонный фундамент ростверк должен иметь значительный пространственный арматурный каркас. Для того, чтобы компенсировать деформации от неравномерных усадок верхней части дома, морозного пучения, верхний и нижний арматурные пояса делают одинаковыми. Арматуру располагают на расстоянии как минимум двух-трех диаметров от наружной поверхности бетона. Сама по себе технология устройства ростверка не сложная.

Область применения свайных фундаментов.

Сваи — стержни из бетона, железобетона и других материалов в толще грунта основания, воспринимающие нагрузки от здания. Также называются ещесвайными фундаментами.