Лекция 5 основания и фундаменты

Грунты и их строительные свойства. Виды грунтов и их основ­ные строительные свойства требуется хорошо знать в связи с тем, что от них в значительной степени зависит устойчивость и несущая способность фундаментов, а следовательно," и зданий. Грунты по строительным свойствам подразделяют на скальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые. Скальные грунты представляют, собой изверженные, оса­дочные или метаморфические породы, залегающие на'земной по­верхности в виде сплошного массива или трещиноватого слоя. зер­на скального грунта прочно связаны между собой. .К этой группе относят граниты, базальты, известняки, песчаники и другие, проч­ность которых превышает 5 МПа (50 кгс/см²). Вследствие высокой плотности и прочности эти грунты практически несжимаемы, по­этому деформация их под нагрузками от зданий и сооружений нич­тожна и они являются самыми прочными основаниями. Полускальными считают грунты, имеющие прочность на сжатие менее 5 МПа (50 кгс/см²). К ним относят мергели, гипс, гипсовые песчаники, окремненные глины и др. Несущая способность - этих грунтов значительно снижается при растворении их составляющих грунтовыми водами, вследствие чего в массиве грунта появляются трещины и пустоты. К крупнообломочным грунтам относят несцементиро­ванные кристаллические или осадочные породы в виде обломков размерами более 2 мм (шебень или дресва). Такие грунты мало сжимаются под нагрузкой, значительно сопротивляются сдвигу, не подвержены действию грунтовых вод, т. е. являются удовлетвори­тельными основаниями под здания и сооружения. Песчаные грунты — продукты выветривания горных по­род, содержащие частиц крупнее 2 мм менее половины по массе. Пески в сухом состоянии сыпучи, так как зерна их не связаны меж­ду собой. По минералогическому составу пески подразделяют на кварцевые, сланцевые и известковые. В зависимости от крупности зерен различают пески гравелистые (>25% частиц крупнее 2 мм), крупные (>50% частиц крупнее 0,5 мм), средней крупности (>50°/ц частиц крупнее 0,25 мм); мелкие и пылеватые пески содержат частицы менее ОД мм, Последние виды песков с примесью глинистых м илистых частиц в водонасыщенном состоянии под давлением ста­новятся текучими, из-за чего устройство фундаментов на них зна­чительно усложняется. Глинистые грунты, образовавшиеся вследствие физико­-химических процессов при разрушении горных пород, характеризу­ются связанностью частиц между собой и пластичностью, т. е. способностью изменять форму под давлением и сохранять ее после снятия нагрузки. Пластичность глинистых грунтов объясняется на­личием в них чешуйчатых частиц размером менее 0,005 мм и тол­щиной менее 0,001. Супеси содержат от' 3 до 10% таких частиц, суглинки — от 10 до 30, глины — более 30%'/,Плотные, слежавшиеся сухие глинистые грунты служат надеж­ными основаниями фундаментов. На несущую способность их зна­чительное, влияние оказывает влажность. При насыщении глини­стых грунтов водой пластичность их увеличивается, но соответст­венно снижается несущая способность. Кроме того, при замерзании глинистые грунты, насыщенные водой, увеличиваются в размерах, что вызывает их пучение. При этом могут возникать значительные внутренние напряжения, способные деформировать фундаменты, я следовательно, и основные конструкции зданий.

Разновидностью глинистых грунтов являются макропористые грунты, имеющие крупные поры больше размеров частиц грунта. К этой группе относят лёссовидные суглинки, содержащие большое количество пылеватых _частиц размерами 0,005—0,05^чмм, водорастворимые, известняки, сернокислый кальций. В сухом состоянии эти грунты прочные, но при увлажнении они теряют несущую способ­ность. В зданиях, возведенных на макропористых грунтах, проис­ходят большие неравномерные осадки, приводящие иногда к раз­рушение. Сохранить несущую способность макропористых грунтов проще всего предохранением их от увлажнения основании как в период строительства, так и в процессе, эксплуатации сооружений.

К растительным грунтам относят такие, которые со­держат в своем составе остатки растений и различные органические примеси. При содержании разложившихся растительных остатков более 60% грунт называют торфяным. Такие грунты ненадежны как основания, поэтому перед возведением зданий и сооружений расти­тельный слой и грунт, как правило, удаляют.

Исследование грунтовых условий строительной площадки. Гео­логические исследования площадки под строительство промышлен­ных предприятий ведут с целью получения данных для составления проекта оснований и фундаментов зданий и сооружений, а также выбора способов производства работ. В ходе исследований определяют состав и свойства грунтов и уровень залегания грунтовых вод. . .

Изыскательские работы выполняют в следующем порядке: 1) составляют- топографический план строительной площадки с нанесением горизонталей, по которому определяют планировочную отмет­ку и способы отвода с участка поверхностных вод; 2) собирают сведения об основаниях и фундаментах соседних зданий и сооружений с целью сокращения объемов изыскательских работ; 3) изучают архивные материалы по инженерно-геологическим исследованиям соседних участков и проводят исследования грунтов на площадке строительства. Для исследования грунтов участка под строительство заклады­вают шурфы и буровые скважины, количество которых зависит от размеров зданий и сооружений и характера геологических условий. Расстояния между шурфами и скважинами на стадии задания -на проектирование для несложных геологических условий прини­мают от 100 до 200 м, для сложных — 30 — 50 м; на стадии техни­ческого проекта —- 30—50 и 20—30 м.

Шурфом называют выемку круглой или прямоугольной формы размером не менее 1x1,2 м для извлечения образцов грунта. Шурфы роют с помощью шурфокопальных машин или вручную.

Буровые разведочные, скважины это отверстия диаметром 10—32 см и глубиной более 5 м. Для бурения скважин применяют буровые машины стационарной установки или самоходные, а так­же ручные установки ударно-вращательного бурения. В период вскрытия шурфа и бурения скважин ведут записи в журнале и от­бирают пробы грунта. Затем образцы грунта и воды исследуют в стационарной или полевой лаборатории.

На основании результатов геологической разведки строительной площадки составляют план и геологический разрез участка, отображая на них рельеф местности и характер геологических напластований грунтов. Это позволяет проектировщикам разработать проект фундаментов, а строителям выбрать соответствующие методы выполнения работ.

Фундаменты на естественных основаниях. Фундаментами называют конструкции, располагаемые ниже уровня земли, воспри­нимающие нагрузки от здания или сооружения и передающие их на основание.

Основание — это массив или слой грунта, находящийся под зданием или сооружением, который должен иметь необходимую не­сущую способность, обеспечивающую устойчивость здания.. Однородным основанием является такое, которое состоит из од­нородного слоя грунта. Неоднородное основание обычно бывает сложено из нескольких неоднородных слоев грунта. Слой, на который опирается подошва фундамента (нижняя .опорная плоскость),называют рабочим слоем, нижележащие слои — подстилаю­щими. Одной из основных задач проектирования фундаментов является определение глубины их заложения, т.е. расстояния от планировоч­ной отметки поверхности земли до уровня подошвы фундамента. На плотных не выветрившихся скальных породах фундаменты можно устраивать непосредственно на спланированной поверхности основания. Глубина заложения фундаментов зависит от следующих факто­ров: геологических и гидрогеологических условий строительной пло­щадки (виды и особенности грунтов, их физико-механические ха­рактеристики, наличие и уровень грунтовых вод); климатических условий площадки, влияющих на глубину промерзания грунтов и возможность их пучения; нагрузок на фундаменты и его конструк­ции, наличие соседних фундаментов, подвалов и т. п.

Геологические условия площадки бывают самыми разнообраз­ными, и глубина заложения фундаментов должна быть такой, чтобы основание выдерживало нагрузку от зданий и сооружений. Норма­тивные сопротивления грунтов основания принимают по указаниям СНиП II-15 «Основания зданий и сооружений».

Глубину промерзания грунтов в разных районах опреде­ляют как среднюю из ежегодных максимальных глубин промерза­ния грунтов на открытой поверхности. В соответствии с СНиП П-А.6— «Строительная климатология и геофизика» за норматив­ную глубину промерзания принимают расстояние от уровня земли до глубины, на которой температура в зимнее время снижается до — 1°.

При замерзании воды, имеющейся в порах и капиллярах грун­та, она увеличивается в объеме, грунт деформируется и вспучива­ется вверх — в сторону наименьшего сопротивления. Возникающие при этом усилия способны деформировать фундаменты и- несущие конструкции зданий, вплоть до их разрушения. Особенно подверже­ны пучению глинистые грунты, поэтому глубина заложения фунда­мента в них должна быть не менее расчетной глубины промерзания. Следовательно, глубина заложения фундаментов должна быть больше глубины промерзания грунтов Мелкие и пылеватые пески, твердые супеси подвергаются пуче­нию значительно меньше, что зависит от степени насыщения их водой. Если глубина промерзания выше глубины залегания грун­товых вод не менее чем на 2 м, глубину заложения фундаментов можно принять меньше глубины промерзания Н<Н_Х при условии 1 + 2 м<Н₂, где #₂ — уровень грунтовых вод..

Скальные, полускальные, крупнообломочные грунты, пески гравелистые, крупные и средней крупности не пучатся. Поэтому глуби­ну заложения фундаментов в них принимают независимо от глуби­ны промерзания и уровня грунтовых вод.

Глубина промерзания грунтов у наружных стен отапливаемых зданий уменьшается, и расчетную глубину промерзания определяют с поправочным коэффициентом где Я^н— нормативная глубина промерзания; к — коэффициент влияния теплового режима здания на промерзание грунта у наружных стен, принимаемый в пределах 0,7—0,9. При наличии подвальных помещений глубину заложения фундаментов принимают не менее чем на 0,5 м ниже уровня пола подвала. Когда фундаменты, расположенные близко друг ют друга, тре­буется закладывать на различную глубину (например, для несущих конструкций и под оборудование), угол наклона прямой АВ (рис. 69), соединяющей наиболее близкие точки подошвы соседних фундаментов, должен быть меньше или равен углу внутреннего трения грунта а. Если такое условие невыполнимо, необходимо ук­репить грунт.Значение угла а зависит от вида грунтов и его характеристик (крупности зерен, коэффициента пористости и др.). Для песчаных грунтов а = 30~43°, для глинистых грунтов а=13—25°.

Фундаменты под внутренние колонны и стены можно заклады­вать без учета глубины промерзания грунтов, т. е. на меньшую глубину. Подошвы фундаментов под мелкое оборудование могут оказаться на насыпном грунте в результате обратной засыпки котлованов под фундаменты более глубокого заложения. В этом случае их закладывают на одинаковую глубину.

Фундаменты на искусственных основаниях. В тех случаях, ког­да прочность грунтов природного состояния недостаточна, устраи­вают искусственные основания путем повышения несущей способ­ности грунтов различными способами. Вопрос о выборе того или иного способа решают в зависимости от класса здания и его долго­вечности, вида грунтов и гидрогеологических особенностей площад­ки, методов производства работ, иначе говоря, на основе технико-экономических расчетов. Распространенный способ повышения несущей способности основания— замена слабых грунтов на более прочные путем устройство подушек — основания из песчаных или гравийных грунтов, В этом случае подушка, воспринимающая нагрузку от фундамента, передает ее на более прочные нижележащие слои грунта. При этом удельное давление уменьшается, т. е. нагрузка распределяется на большую площадь. При устройстве подушек песок или гравий укладывают слоями, каждый слой уплотняют трамбованием или виб­рированием.. При трамбовании грунт уплотняется на глубину 1,5—2,0 м и несущая способность основания может увеличиться на 25—30%. Вибрационное уплотнение песчаных грунтов производят при по­мощи виброплощадок (поверхностное уплотнение) на глубину до 70-^100 см или с помощью вибробулав (глубинное уплотнение). Размеры подушек можно уменьшить устройством шпунтового ограждения, которое предотвращает боковые,перемещения грунта и уменьшает осадки.Для закрепления грунтов в них вводят специальные вещества, заполняющие поры и пустоты и связывающие частицы грунтов, благодаря чему повышается их прочность..

Цементация грунта оснований Заключается в нагнетании в грунт цементного молока или жидкого раствора. После затверде­вания цемента прочность грунта значительно возрастает и образуется надежное основание. Особенно эффективно цементировать средне- и крупнозернистые пески и крупнообломочные грунты.

Нагнетают цементный раствор в грунт через металлические тру­бы диаметром 19—38 мм* имеющие внизу конические наконечники и отверстия. Трубы погружают в грунт забивкой, а при большой глубине — в предварительно пробуренные скважины.

Силикатизация грунт о в, аналогичная их цементации, состоит в нагнетании в грунт растворов жидкого стёкла и хлористого кальция . При взаимодействие их образуется гель кремниевой кислоты закрепляющий грунт. Для силика­тизации плывунов применяют слабые растворы фосфорной,кислоты с добавлевдем жидкого стекла. Кроме геля кремниевой кис­лоты в грунте образуются соли фосфорнокислого натрия. Закрепляющие грунт последнее время начали закреплять грунты полимерами. В качестве закрепителя используют растворы соляной кислоты и карбамидные или другие полимеры. Прочность грунтов после такого. закрепления может превысить 30—50 кгс/см² при нормативной прочности 3—5 кгс/см²

Свайные фундаменты устраивают с древнейших времен. Сваи представляют собой стойки, погруженные в грунт и скреплен­ные вверху балками или плитами, такую конструкцию называют ростверком. На ростверк укладывается фундамент . Сваи применяют различных типов, но особенно распространены железобетонные длиной от 3 до 6 м. Свайные фундаменты устраивают в тех случаях, когда нормативное сопротивление грунтов не­значительно, а также при наличии смежных глубоко заложенных фундаментов под оборудование. В последние годы свайные фундаменты на недостаточно прочных грунтах устраивают под многие промышленные и жилые здания. Устройство их резко уменьшает объем земляных работ, а расход бетона сокращается примерно на 65% по сравнению с фундамен­тами глубокого заложения. В результате снижается стоимость фун­даментов и заметно сокращаются сроки строительства.

Конструкции фундаментов. Под промышленные здания и со­оружения предусматривают сборные и монолитные фундаменты различных типов в зависимости от конструкции здания, его назна­чения и грунтовых условий площадки.

С б о р н ы е фундаменты под колонны каркасных зданий устраивают из ступенчатых железобетонных блоков, их целесообразно применять при небольших нагрузках на колонны 80—100 т и небольшой глубине заложения и наличии прочных грунтов основания. Широкое применение железобетонных фундаментов из сборных элементов затрудняется вследствие большого диапазона нагрузок на колонны, различия грунтовых условий и глубины заложения.

Масса фундаментов под колонны весьма большая—нередко 50— 100 т, поэтому применение составных сборных фундаментов увели­чивает затраты труда на их транспортировку и монтаж. Наиболее целесообразно устраивать сборные составные фундаменты при их массе до 5 т, а также в суровых зимних условиях и для рассредо­точенных объектов. Во всех других случаях целесообразно приме­нять монолитные фундаменты.

Монолитные фундаменты, устраиваемые на месте, обычно имеют ступенчатую форму. Нижнюю ступень обычно арми­руют сварной сеткой, арматуру колонны заводят в фундамент (рис. 71, а).

Под железобетонные колонны предусматривают несколько типо­размеров монолитных фундаментов, которые отличаются размерами площади подошвы. Все они имеют ступенчатую форму с двумя-тремя* прямоугольными ступенями и подколонником.. Высота фунда­ментов—1500—3000 мм с градацией через 300 мм. Для возведе­ния фундаментов применяют бетон марок 200 и 300 и.арматурные сетки с ячейками 200x200 и 250x250 мм, укладываемые в нижнюю опорную плоскость с защитным слоем не менее 35 мм.

При больших нагрузках на колонны (бункеры и силосы складов сыпучих материалов, силосы зерновых элеваторов и т. п.), а также при малой несущей способности грунтов основания устраивают фундаменты в виде сплошных монолитных плит ) или ленточные из перекрещивающихся лент .

Сборные фундаменты под колонны выполняют в виде ступенча­тых блоков. В верхней части имеется гнездо — «стакан», в который вставляют колонну. На уступ фундамента укладывают фундамент­ную балку, служащую опорой для самонесущих стен. Фундамент часто выполняют из одного блока.

При заглублении внутреннего обреза фундаментов на 0,7—1,0 м от уровня земли засыпать котлованы, делать подготовку под полы и восполнять другие работы можно только после замоноличивания колонн, что усложняет производство работ. Чтобы избежать этого в последнее время применяют фундаменты с повышенным стаканом верхний обрез которого располагают на 0,3—0,5 мг ниже отметки чистого пола. При этом небольшое увеличение объе­ма бетона в фундаментах компенсируется удешевлением работ по монтажу конструкций — обратную засыпку котлованов можно вести сразу после установки фундаментов.

При больших нагрузках, на несущие конструкции обычно при­меняют составные сборные фундаменты состоящие из башмака и плит. Верхний блок фундамента выполняют с гнездом (стаканом) для. заделки в него сборной колонны. Нижние элемен­ты фундамента представляют собой плиты сплошные или с отверстиями для уменьшения их массы.. Плиты укладывают в один или в два ряда. Для закладки фундаментов на большую глубину применяют блоки с подколонниками, что позволяет вести обратную засыпку котлованов и устраивать подготовку под полы до монтажа колонн. Это обеспечивает рациональную технологию работ, по монтажу над­земной части здания. Такой фундамент состоит из башмака со стаканом и подколонника с консолью для укладки фундаментной. балки . Однако при таком типе фундамента необходимо дополнительно сты­ковать колонну с подколонником. Двухветвевые металлические ко­лонны устанавливают на фундаменты стаканного типа и двухвет­вевые железобетонные подколонники . Для глубокого заложения применяют сборные фундаменты и сплошных ребристых железобетонных плит, пустотелых бетонных блоков и башмака стаканного типа. Все элементы стягивают с по­мощью гаек на металлических анкерах .Сборные фундаменты устанавливают на подготовку из щебня или гравия тол­щиной 10 см. На грунтах с повышенной влажностью подготовку делают из бетона М50.

Фундаментные балки предназначают для опирания наружных и внутренних самонесущих стен в каркасных зданиях. Такие балки длиной до 6 м изготовляют из обычного железобетона, а при длине более 6 м — предварительно напряженные. Сечение балок — тав­ровое или трапециевидное. В местах устройства температурных швов укладывают балки, укороченные на 500 мм .

Под наружные стены балки укладывают на уступы фундамен­тов колонн. При большой глубине заложения фундаментов балки укладывают на подставки — бетонные столбики. Зазоры между тор­цами балок и фундаментами заполняют бетоном. Для защиты при­стенной полосы пола от промерзания и предотвращения деформа­ции балок на пучинистых грунтах их снизу и с боков засыпают шла­ком.

Ленточные фундаменты устраивают под несущие сте­ны, промышленных зданий из кирпича или крупных бетонных бло­ков.

Монолитные ленточные фундаменты из бутового камня или бутобетона сооружали в последние годы сравнительно редко, главным образом для зданий небольших размеров и в тех районах, где бут яв^ ляется местным материалом, Как правило, ленточные фундаменты возводят сбор-~. ные из бетонных и железобе­тонных блоков — стеновых (марка СП) и блоков-поду­шек (марка Ф). Основные стеновые фундаментные бло­ки имеют типовые единые размеры: длину 2400 мм, вы­соту 600 мм и ширину 300— 600 мм. Кроме основных бло­ков применяют доборные длиной 80Р мм. Их использу­ют для обеспечения перевяз­ки вертикальных швов в фундаментах .

Поскольку блоки ленточных фундаментов работают только на сжатие, их изготовляют без арматуры сплошными или с несквоз­ными пустотами из бетона марок 150—200.

Фундаментные подушки обычно имеют большую ширину, чем блоки, для увеличения опорной площади фундамента. В нижней плоскости их армируют сеткой из горячекатаной стали периодиче­ского профиля, бетон используют марок 150—200. Размеры блоков-подушек унифицированы: длина их 2400 и 1200 мм, ширина 1000— 2400 ^чмм. Фундаментные блоки служат и стенами подвалов.

Для самоконтроля предусмотрен чертеж