11. Основания

Общие положения

Здания и сооружения передают нагрузки на основания, кото-

рые состоят из грунтов. Изучением свойств грунтов и созданием теории их расчета занимается дисциплина «Механика грунтов». Грунты— это горные породы, почвы, техногенные образова­ния, которые залегают в верхней части земной коры, являются объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека и мо­гут быть использованы в качестве оснований зданий и сооруже­ний, среды для размещения в них сооружений, материала самого сооружения.

Наиболее часто в качестве оснований используются несцемен­тированные, сыпучие и глинистые грунты, реже, так как реже выходят на поверхность, скальные фунты. Классификация грунтов в строительстве принимается в соответствии с ГОСТ 25100-95 «Грун­ты. Классификация».

Знание строительной классификации грунтов требуется для оценки их свойств как оснований под фундаменты зданий и со­оружений. Грунты делятся на классы по общему характеру струк­турных связей. Различают: класс природных скальных грунтов, класс природных дисперсных грунтов, класс природных мерзлых грунтов, класс техногенных грунтов. Более подробно рассмотрим класс природных скальных грунтов и класс дисперсных грунтов.

Скальные грунты — грунты с жесткими структурными связя­ми (кристаллизационными и цементационными). Скальные грун­ты могут состоять из изверженных, метаморфических и осадоч­ных сцементированных горных пород. Наиболее распространен­ные виды скального грунта: граниты, песчаники, известняки и др. ( Класс скальных грунтов подразделяется на группы (скальные и полускальные грунты). Условная граница между скальными и полускальными грунтами принимается по расчетному значению предела прочности на одноосное сжатие скальных грунтов R_c (см. параграф 11.1.5).

Дисперсные грунты — грунты, состоящие из отдельных мине­ральных частиц (зерен) разного размера, слабо связанных друг с другом. Эти грунты образуются в результате выветривания скаль­ных грунтов с последующей транспортировкой продуктов вывет­ривания водным или эоловым (воздушным) путем и их отложения.

Дисперсные грунты делятся на две группы: связные дисперсные грунты — это грунты с водно-коллоидными связями (глинистые грунты, илы, сапропели, заторфленные грунты, торфы); несвязан­ные дисперсные грунты (пески, крупнообломочные грунты). В крупнообломочных грунтах могут встречаться окатанные час­тицы и неокатанные. Щебень представляет собой неокатанные об­ломки горных пород размером от 10 до 100 мм, окатанные обломки таких размеров называются галькой. Дресва — мелкие острореб­ристые обломки породы размером от 2 до 10 мм, окатанные об­ломки таких размеров называются гравием.

Из вышеперечисленных грунтов состоят основания. Основа­нием называют часть массива грунтов, непосредственно воспри­нимающую нагрузки от фундамента. Различают естественные и искусственные основания: естественные основания состоят из грунтов природного сложения, а искусственные основания — из уплотненных, закрепленных или замененных грунтов. В случае если основания состоят из одного слоя грунта (пласта), они на­зываются однородными, из нескольких пластов — неоднородными. Пласт грунта, непосредственно воспринимающий нагрузки от фундамента, называется несущим, а нижележащие пласты —под­стилающими.

Расчет оснований ведется по двум группам предельных состоя­ний, при этом учитывается совместная работа оснований, фун­даментов и надземных конструкций.

Фундаментом называют подземную часть здания или сооруже­ния, которая предназначена для передачи нагрузок на основание. Нагрузка /V, приходящаяся на верхний обрез фундамента, распре­деляется по подошве фундамента и вызывает давление в основа­нии р (рис. 11.1).

Для расчета фундаментов и оснований необходимо знать свой­ства грунтов, которые разделяются на физические и механические.

11.1. Естественные основания

11.1.1. Некоторые физические характеристики грунтов

Физические характеристики фунтов, их строительная класси­фикация, грунтовые воды, напластования грунтов и т.п. более подробно рассматриваются в курсе «Инженерная геология». В настоящем учебнике даны основные понятия, нужные для по­нимания расчетов оснований и фундаментов.

Грунты являются трехкомпонентной системой, т.е. состоят из твердых частиц и пор, которые заполнены водой и газами (рис. И.2).

Ряд характеристик грунтов определяют в лабораторных усло­виях, для них принимают следующие обозначения: К— объем грунта; V_s — объем твердых частиц; V„ — объем пор; V_w — объем воды; т — масса грунта; m_s — масса твердых частиц; m_w— масса воды. Определив эти характеристики, можно найти следующие основные характеристики грунта:

• плотность грунта p = m/V (кг/м³); (11.1)

• плотность твердых частиц грунта p_s=>mJV_s (кг/М ); (11.2)

• влажность W=mjm_s. (П-3)

Зная плотности грунта, можно найти соответственно:

• удельный вес твердых частиц (кН/м³):

(11.4) (ПА а)

где g ж 10 (м/сек²) — ускорение свободного падения.

При проектировании фундаментов и оснований кроме основ­ных характеристик необходимо знать ряд физических характери­стик грунта, которые можно определять расчетом;

• коэффициент пористости грунта (11.5)

по которому определяется плотность сложения грунтов (табл. 11.2);

• удельный вес грунта при учете взвешивающего действия воды

(кН/м³):

(11.6)

и другие характеристики.

Ниже рассматриваются физические характеристики дисперс­ных фунтов. Как уже отмечалось, дисперсные фунты разделяются на связные и несвязные. Связные дисперсные фунты обладают свойством пластичности.

Для пластичных грунтов (глинистые фунты, торфы) определяют­ся характеристики, отражающие способность этих грунтов удержи­вать воду и состояние грунтов (от твердого до текучего) при природ­ной влажности. Способность глинистых фунтов удерживать воду зависит от количества глинистых частиц в фунте, между частицами глины образуются водно-коллоидные связи, которые придают грунту связность (препятствуют рассыпанию частиц фунта) и влияют на работу таких фунтов под нафузкой. Для нахождения этих характе­ристик предварительно в лабораторных условиях определяют влаж­ности на границе текучести и на границе раскатывания:

• влажность на границе текучести W_L — это такая влажность, при которой фунт переходит в текучее состояние. Величина условная, определяемая при помощи стандартного конуса, который ставится на исследуемый фунт, в котором изменяют влажность. При опускании конуса на установленную стандартом глубину считается, что фунт достиг фаницы текучести. Определяют для этого состояния фунта влажность, которая и считается влажностью на фанице текучести;

влажность на границе раскатывания W_p — это такая влаж­ность, при которой фунт переходит в полутвердое состояние. Оп ределяется раскатыванием тонких цилиндров грунта. При раска­тывании вода, находящаяся в грунте, постепенно испаряется и на­ступает момент, когда в грунте появляются трещины. Принято считать, что при этом грунт перешел в полутвердое состояние и определяется влажность такого грунта, которая и считается влаж­ностью'на границе раскатывания.

Используя влажности на границе текучести и раскатывания, рас­четом определяют следующие характеристики пластичных фунтов:

• число пластичности (11.7)

характеризует способность грунтов удерживать воду в промежут­ке от полутвердого состояния до текучего состояния. Чем больше в грунте глинистых частиц, тем больше число пластичности; грун­ты относятся к глинистым при 1_Р > 1 (т.е. становятся связными); глинистые грунты подразделяются в зависимости от числа плас­тичности 1_Р на супесь, суглинок, глину (табл. 11.1); супесь в своем составе содержит много песчаных частиц, суглинок меньше и гли­на еще меньше;

• показатель текучести (11.8)

показывает состояние пластичного грунта при природной влаж­ности (находится грунт в текучем, твердом или в каком-то про­межуточном состоянии) (табл. 11.2).

Наименование глинистых фунтов складывается из наименова­ния их разновидности (табл. 11.1) и разновидности по числу пла­стичности (табл. 11.2).