Блок 2. Проектирование подземной части зданий и сооружений.

Модуль 2.1. Основные подходы к проектированию подземной части зданий и сооружений.

2.1.1. Основания зданий – слой грунта, непосредственно воспринимающий нагрузку от фундаментов здания и перераспределяющий её в своей толще.

Грунт – любая горная порода или почва, представляющая собой многокомпонентную систему, изменяющуюся во времени и используемую как основание, среда или материал для возведения зданий или сооружений.

Грунт, способный в своём природном состоянии выдержать нагрузку от здания, называется естественным основанием.

Если грунт не воспринимает нагрузку от здания, претерпевает большие деформации, его укрепляют, тогда он называется искусственным основанием.

По своему минералогическому и химическому составу, структуре и характеру напластования грунты бывают: скальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые. Параметры единицы объёма грунта приведены на рис.2.1.1. Показатели физических свойств грунтов приведены в табл. 2.1.1.

Перед началом строительства на строительной площадке проводятся геологические изыскания. На участке, предназначенном для строительства, бурят скважины глубиной от 6 – до 15 м и отбирают образцы грунта (монолиты). Основные физические и механические характеристики грунтов определяют в лабораториях. Характеристики грунтов, необходимые для расчета основания и размеров фундаментов приведены в табл. 2.1.2.

Искусственные основания устраиваются с помощью следующих методов:

- механическое поверхностное или глубинное уплотнение,

- силикатизация грунтов основания, основана на применении силикатных растворов и их производных, которые при соединении с коагулянтом образуют гель кремниевой кислоты, цементирующий частицы просадочного грунта. Закреплённый грунт имеет прочность на сжатие 2-5 МПа. При усилении оснований Одесского театра оперы и балета была выполнена силикатизация грунтов (август 1955г. - по ноябрь 1956 г.). Силикатизация была предусмотрена во всей толще просадочных грунтов до кровли плотных непросадочных красно-бурых глин под всеми фундаментами несущих стен здания. Всего на театре было сделано 2300 инъекционных точек. Закаченный раствор силиката натрия составил 5400 куб. м, а количество израсходованной силикат - глыбы – около 1200 т. Схема расположения инъекторов в основании театра показана на рис. 2.1.2.

- цементация грунтов (основание гостиницы «Метрополь» в Москве),

- термическое закрепление (обжиг просадочного грунта),

- струйная технология при изготовлении цементно-грунтовых свай.

2.1.2. Фундаменты.

Фундаменты – подземные конструктивные элементы зданий, воспринимающие все нагрузки от вышерасположенных вертикальных и наклонных элементов несущего остова и передающие эти нагрузки на основание. Фундаменты также воспринимают несиловые воздействия на их конструкции (рис.2.1.3.).

При строительстве гражданских зданий применяют фундаменты ленточные (сплошные и прерывистые) (рис.2.1.4.), столбчатые (под отдельные столбы и колонны) (рис.2.1.5.), и плитные массивные в виде сплошных или ребристых плит (рис.2.1.6.). Ленточные фундаменты бывают сборными и монолитными. Сборные ленточные фундаменты выполняют из железобетонных плит-подушек и бетонных стеновых блоков. На прочных сухих грунтах устраивают прерывистые ленточные фундаменты, в которых плиты-подушки укладывают с разрывами.

Монолитные фундаменты выполняют из камня, бута, бетона, бутобетона.

Столбчатые фундаменты применяют в каркасных зданиях различной этажности либо в малоэтажных зданиях (каркасных или бескаркасных). Они могут быть в виде монолитных или сборных конструкций. Монолитный столбчатый фундамент представляет собой ступенчатую конструкцию с подколонником и стаканом для установки колонн. Столбчатые фундаменты сборного типа состоят из железобетонной фундаментной подушки, подколонника и стакана для установки колонн.

Сплошные плитные фундаменты состоят из общей фундаментной плиты, принимающей вес всего здания в целом. Разновидностью сплошных фундаментов являются круглые, кольцевые, ребристые и коробчатые конструкции.

2.1.3. Свайные фундаменты.

Свая – конструктивный элемент, передающий нагрузку от ростверка на нижележащие грунты основания.

Сваи классифицируются по ряду признаков:

- по технологии изготовления (забивные, сборные забивные, буронабивные, буроопускные и задавливаемые),

- по геометрическим характеристикам: сваи с постоянным поперечным сечением (призматические, плоские, круглые, полые, таврового сечения), сваи с переменным поперечным сечением (конусные, пирамидальные, козловые) (рис.2.1.7.).

Свайные фундаменты устраивают при строительстве на слабых сильносжимаемых водонасыщенных грунтах, а также при передаче на основания больших нагрузок от колонн и стен многоэтажных зданий. В зависимости от величины передаваемых на грунт основания нагрузок и механических свойств грунтов, сваи под стены располагают в один, два ряда или в шахматном порядке. Под колонны устраивают кусты свай. Расстояние между смежными сваями назначают не менее трех толщин свай. Сваи располагают обязательно под всеми углами здания и в точках пересечения осей стен. Для обеспечения равномерной передачи нагрузок от стен на сваи по верхним концам последних укладывают монолитные или сборные железобетонные ростверки. При наличии подвала или техподполья под всем зданием отметки пола подвала совмещают с верхом ростверка под наружные и внутренние стены.

Испытание свай выполняют на динамическую и статическую нагрузку.

Таблица 2.1.1

Показатели физических свойств грунтов

№ п/п	Характеристики грунта	Обозна-чение	Размер-ность	Физическая сущность	Формула для определения
1	2	3	4	5	6
1	Плотность частиц	ρs	г/см3	ms/vs	Определяются в лабораторных условиях
2	Плотность	ρ	г/см3	(ms + mw)/v
3	Влажность природная	w	д.е.	mw/ms
4	Влажность на границе раскатывания	wp	д.е.	-
5	Влажность на границе текучести	wL	д.е.	-
6	Плотность в сухом состоянии	ρd	г/см3	ms/v	ρd= ρ/(1+w)
7	Коэффициент пористости	e	д.е.	vn/vs	e = (ρs /ρd)-1
8	Пористость	n	д.е.	vn/v	n = 1-( ρd / ρs)
9	Коэффициент водонасыщения	Sr	д.е.	vw/vn	Sr = (w ρs)/(e ρw)
10	Число пластичности	Ip	д.е.	-	Ip = wL - wp
11	Показатель текучести	IL	д.е.	-	IL =(w - wp)/Ip
12	Удельный вес	γ	кН/м3	-	γ = ρg
13	Удельный вес с учетом взвешивающего действия воды	γsb	кН/м3	-	γsb = (γs-10)/(1+e)
14	Удельный вес в водонасыщенном состоянии	γsat	кН/м3	-	γsat = γd+Sr γw n

Параметры единицы объема грунта приведены на рис. 2.1.1

Рис. 2.1.1 V - объем грунта; V_n - объем пор; V_s - объем минеральных частиц; V_w - объем пор, заполненных водой; m_w - масса воды; m_s - масса минеральных частиц.

Рис. 2.1.2. Схема расположения инъекторов при силикатизации основания Одесского театра оперы и балета.

Разрез основания под фундаментами театра, 1 - стена, 2 - инъекторы, 3 - силикатизированный лёсс, 4 - насыпной грунт, 5 - лёсс, 6 - краснобурые глины.

Схема 2.1.3. Воздействия на фундаменты: силовые (1 - загрузка от здания, 2 - боковое давление грунта, 3 - сейсмические загрузки, 4 - силы пучения грунта, 5 - упругий отпор, 6 - вибрации); несиловые (7 - температура грунта, 8 - температура помещения подвала, 9 - влага грунта, 10 - влага воздуха подвала, 11 - агрессивные примеси в воде и воздухе, 12- биологические факторы).

Бутовые и бутобетонные монолитные фундаменты:

1 - отмостка; 2 - гидроизоляция; 3 - конструкция пола по грунту.

1 - фундаментная плита, 2 - бетонный стеновой блок, 3 - отмостка, 4 - гидроизоляция,

5 - конструкция пола по грунту, 6 - цементно-песчаный раствор, 7 - монолитный бетон.

Рис. 2.1.4. Монолитные ленточные фундаменты (а), бетонные и бутобетонные фундаменты (б), сборные ленточные фундаменты (в).

Рис. 2.1.5.

Рис. 2.1.6. Виды свай. 1-5 - забивные с постоянным поперечным сечением, 6-7 - пирамидальные, 8-10 -козловые, 11-13 - набивные, 14 - комуфлетные, 15 - винтовые. Рис. 2.1.7. Расположение призматических (а) и пирамидальных (б) свай в плане в основании бескаркасных и каркасных зданий.

Модуль 2.2. Цокольная часть здания и стены подвала. Несущие стены подземной части зданий.

2.2.1. Цокольная часть здания – часть стены от фундаментов до отметки перекрытия над подвалом или до уровня чистого пола первого этажа. Цокольная часть здания защищает подвал, создавая в нём положительные температуры, обеспечивая проветривание подвального подпольного помещения. Высоту цоколя принимают не менее 1,90 м для зданий с техническим подпольем и не менее 2,00 м для подвалов, при этом верхняя отметка стены подвала должна находиться не менее чем на 0,20 м выше отметки уровня земли. Расстояние от верхней отметки стены подвала до уровня земли составляет размер цокольной части здания (рис.2.2.1.). Если цокольную часть здания выполняют из бетонных блоков, то их устанавливают на растворе по смонтированным подушкам фундаментов и они работают на сжатие, а также подвергаются боковому давлению грунтов. Форма блоков прямоугольная с элементами вертикальных пазов для соединения их на растворе. Класс бетона для блоков стен подвала должен быть В3,5 – В10 (рис.2.2.2 - 2.2.4).

2.2.2. Конструктивные элементы подземной части зданий – подвалы, приямки, пандусы, пристройки, отмостки.

Подвалы в малоэтажных домах имеют, как правило, небольшую глубину, поэтому стенами подвалов служат обычные ленточные фундаменты, заглублённые на необходимую глубину.

Гидроизоляция стен и полов подвала.

При гидроизоляции подвала применяют три типа гидроизоляции: обмазочную, обклеечную и облицовочную.

Обмазочную гидроизоляцию применяют в сухих и маловлажных грунтах. Вертикальные наружные поверхности стен обмазывают битумной мастикой за два раза. Подготовку под пол подвала выполняют из тяжелого бетона. Пол делают из влагостойких материалов (цементного раствора состава 1:2, асфальта). При уровне подземных вод выше пола подвала создается гидростатическое давление (напор воды), величина которого зависит от разности между уровнем пола подвала и подземных вод. При небольших напорах (0.1 – 0.2 м) вертикальная гидроизоляция выполняется в виде обмазки. По бетонной подготовке пола устраивают гидроизоляционный слой в виде обмазки битумной мастикой за два раза или настилают слой асфальта. По гидроизоляции делают защитную цементную стяжку и укладывают конструкцию чистого пола.

При больших напорах (0.2 -0.8 м) появляется опасность всплытия пола подвала В этом случае конструкцию пола утяжеляют двумя слоями бетонной подготовки толщиной 100-150 мм. Между ними устраивают обклеечную гидроизоляцию из 2-3 слоев обклеечного материала (рубероида, гидроизола и др.) с защитной стяжкой. Не прерываясь, гидроизоляция проходит через стены подвала и поднимается вертикально по наружным поверхностям стен до высоты, превышающей 0,5 м уровня подземных вод. Для защиты рулонного ковра от механических повреждений при засыпке котлована предусматривают защитную стенку из глиняного кирпича, толщиной 120 мм. При более большем напоре воды (превышающем 0,8 м) применяется железобетонное днище подвала либо облицовочная гидроизоляция – металлический кессон (ящик), выполненный по всему внутреннему контуру подвала.

Приямки устраиваются с наружной стороны стены, обеспечивающие дополнительное пространство перед световыми или загрузочными проемами в подземной части стены (рис.2.2.5).

Пандус – наклонная придворовая или междуэтажная связь с гладкой поверхностью Уклон пандуса сравнительно небольшой (до 10 %). Пандусы могут быть одно-, двухмаршевые, прямо- и криволинейные в плане. Конструкции пандусов состоят из косоуров, по которым укладываются сборные железобетонные плиты. Чистый пол пандуса должен быть нескользким (релин, асфальт, мастичные полы.

Рис. 2.2.1. Конструкции подвалов зданий, возводимых на просадочных грунтах

а-в - схемы воздействия просадочной воронки на здание

г-е - решение со стенами подвала из блоков

ж-и - решение со сборными панелями

к - решение с фундаментным поясом

л-м - решение при свайных фундаментах

Рис. 2.2.2. Цоколи стен из кирпича и бетонных блоков.

1 - отмостка, 2 - цементная штукатурка, 3 - керамическая плитка, 4 - лицевой кирпич, 5 - облицовочный фризовый камень, 6 - щебень, 7 - асфальт, 8 - бортовой камень, 9 - бетон, 10 - мятая глина, 11 - булыжник на песке, 12 - гидроизоляция, 13 - бетонные блоки, 14 - пол на грунте, 15 - перекрытие.

Рис. 2.2.3. Конструкции стен подвалов здания

а - под наружную стену, б - сопряжение стен подвалов, в - внутренние стены подвалов, г - устройство проема в стене подвала, д - укладка Т-образной сетки, е - устройство уступов при помощи сборных элементов, ж - устройство уступов при помощи монолитных участков.

Рис. 2.2.4. Цокольная часть здания из блоков и цокольных панелей.

а,б - формы привязки цоколя на местности,

в - из мелкого материала,

г - в панельном варианте,

д,е - из крупных блоков,

ж,з - индивидуальных,

и - при свайном варианте,

к,л - кирпичных зданиях

Рис.2.2.5. Приямки у стен подвала:

а - световой, б - загрузочный, 1 - стена подвала, 2 - влагостойкий пол с уклоном, 3 - щебень, 4 - труба для выпуска воды, 5 - стенка приямка, 6 - отмостка, 7 - стальная защитная решетка, 8 - плита перекрытия, 9 - оконный блок, 10 - антисептированные лаги, 11 - бетон, 12 - водонепроницаемая крышка приямка с уклоном, 13 - дощатый настил.