Технология возведения фундаментов на естественном основании. Основания и фундаменты

Перед началом строительства дома по выполняют необходимый расчет оснований фундаментов.

Для определения прочности самого фундамента необходимо также выполнить соответствующие вычисления.

Поскольку имеется несколько типов несущего основания и достаточно много видов естественных грунтов, то приведенные примеры расчета оснований и фундаментов не охватывают всего этого многообразия. Если не требуется дополнительных инженерных работ по укреплению почвы, сооружают фундаменты на естественном основании, для которых существуют специальные методы вычисления.

Характеристика естественных оснований

В распоряжение строителя природа предоставляет грунт как естественное основание. Тип фундамента определяет дополнительно ряд факторов: геологическое строение, глубина залегания подземных вод, глубина промерзания и др. Характер нагрузок также оказывает влияние, но для частного домовладения надо ориентироваться на постоянную нагрузку. В то же время нельзя исключить вероятность того, что сосед начнет рядом строить дом на забивных сваях.

Естественным фундаментом являются скальные грунты (гранит, известняк, кварциты и др.), которые являются водонепроницаемыми и надежными для любых сооружений. Аналогичные характеристики присущи и крупноблочным грунтам, которые образовались из скальных пород в результате их разрушения. Это щебень, гравий, галька. Они состоят из частиц, размеры которых превышают 2 мм. Их надежность существенно зависит от присутствия подземных вод.

Горные породы, измельченные до размеров 0,1-2 мм, называют песками. Пески с размером частиц 0,25-2 мм практически не вспучиваются в зимних условиях и поэтому не воздействуют на фундамент. Надежность песчаного основания зависит от мощности слоя песка и от воздействия на него грунтовых вод.

В глинистых грунтах содержатся частицы, размеры которых не превышают 0,005 мм. По содержанию глины их делят на:

• супесь: содержание глины от 3 до 10%;
• суглинок: содержание глины от 10 до 30%;
• лессы: являются пылеватым суглинком.

Наиболее прочным основанием является глина. На таком основании, если глина сухая, можно сооружать массивные здания.

Несущая способность всех перечисленных видов естественных оснований сильно зависит от влажности. А влажные лессовые грунты еще и уплотняются под воздействием веса сооружения, сильно проседая.

В качестве оснований непригодны некоторые супеси, способные от избытка влаги превратиться в плывуны, а также растительный грунт, торф, ил и насыпные грунты. На таких почвах строительство возможно после их предварительного уплотнения.

Вернуться к оглавлению

Расчет основания по несущей способности

Изображение 1. Механика грунтов.

Под следует понимать предельную нагрузку, которую он может выдержать без разрушения. На Изображении 1 показаны случаи, требующие выполнения , которая обеспечит их собственную устойчивость и не допустит смещения фундамента основания по его подошве.

Необходимо перечислить случаи, показанные на Изображении 1, и определиться с теми, которые могут относиться к частному домостроению.

а) На сооружение действует горизонтальная сила. Такой расчет может потребоваться, если на подворье будут устанавливать вышку для генератора, работающего под действием силы ветра.

б) Предполагает при наличии подпорной стены, на которую могут действовать горизонтальные силы, возникающие от собственного веса грунта.

в), г) Сооружение находится на откосе или близко к его краю.

д) Основанием является глинистый грунт, степень влажности которого S τ = 0,5. На него действует вес дома. Это реально возможные ситуации.

е) Рассчитывают несущую способность для определения, насколько устойчив естественный склон.

Кроме указанных случаев такой расчет фундаментов необходим, если дом построен на скальных грунтах или на фундамент могут действовать выталкивающие силы.

Чтобы несущая способность грунта обеспечивала надежность построенного на нем сооружения, необходимо проверить условие (1):

F≤γ c ·F u /γ n , (1)

где F — нагрузка от всего сооружения с учетом всех систем жизнеобеспечения, передаваемая на основание фундаментом, кг;
F u — противодействующая сила основания, кг;
γ c — коэффициент, зависящий от типа грунта (см. таблицу №1);
γ n — коэффициент надежности, устанавливается в зависимости от класса сооружения: γ n =1,2; 1,15; 1,1 для сооружений I, II, и III классов, соответственно.

Таблица № 1.

Вернуться к оглавлению

Примеры расчета оснований и фундаментов

В качестве примера можно рассмотреть случай под буквой «д»: фундамент, основание которого опирается на глинистый грунт.
Для определения его противодействия, F u , необходимо знать несущую способность грунтов (см. Таблицу 1) и площадь S ф, на которую опирается фундамент сооружения. К примеру, его ширина d = 0,5 м, а здание имеет размеры 8×10 м.

Внутри здания, посредине, имеется одна несущая стена. Обычно фундамент на естественном основании имеет прямоугольное сечение. Определение площади подошвы необходимо выполнять исходя из положения, что его размеры в сечении должны быть одинаковыми. Тогда значение площади будет равно:

S ф = (10×2+7×3)×0,5=20,5 м² =20,5·10 4 см ² .

Несущая способность сухой глины средней плотности составляет 2,5 кг/см² (см. Таблицу 1). По величине и несущей способности грунта можно определить противодействующую силу.

F u =[σ]·S ф = 2,5·20,5·10 4 =51,25·10 4 кг=512,5 т.

Следует определить вес здания III класса (γ n =1,1) для глины (γ c =0,9):

F≤γ c ·F u /γ n = 0,9·512,5 /1,1=419 т.

Следовательно, если вес сооружения F будет меньше 419 т, то несущая способность грунта обеспечит его надежность. Иначе придется прибегнуть к увеличению площади подошвы фундамента, сделав его сечение не прямоугольным, а трапецеидальным. Увеличение одной только площади подошвы существенно сокращает количество материала.

Расчет по несущей способности для сооружений, расположенных на откосе или недалеко от него, намного сложнее.

Вернуться к оглавлению

Расчет фундамента на естественном основании по деформациям

Строения в процессе эксплуатации деформируются, и причиной этому могут быть вертикальные деформации оснований, на которых они построены. Такие деформации разделяют на осадки и просадки.

Коренное изменение сложившегося строения грунта называют просадкой. Причиной просадки может быть уплотнение почвы при замачивании. Рыхлый грунт может уплотниться при сотрясении. Иногда он начинает выпирать из-под подошвы фундамента. Таких изменений фундаментов по деформациям допускать нельзя. Вероятность их появления необходимо установить до начала строительства.

Если происходит уплотнение прочных грунтов из-за веса строения, в результате чего происходит , такую деформацию оснований называют осадкой. Как правило, в результате осадки в элементах здания трещины не появляются. Если грунт оседает по-разному под каждой из частей здания, это и может явиться причиной появления трещин в отдельных элементах его конструкции.

Причиной неравномерности осадки грунта могут быть:

• разница плотностей и как следствие, неодинаковая их сжимаемость;
• разное расширение его слоев в результате сезонных промерзаний и оттаиваний;
• неодинаковая мощность пластов;
• различные нагрузки на грунт со стороны строения, что приводит его к разным напряженным состояниям.

Существуют две причины, из-за которых необходимо выполнять расчет оснований по деформациям. Одной из них являются близко стоящие от строительства сооружения, существенно отличающиеся по весу.

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ

и гражданское строительство

Санкт-Петербург

Основания и фундаменты:

Основания и фундаменты

Редактор А. В. Афанасьева

Общие положения

«Основания и фундаменты» геотехнических наук, включающих инженерную геологию и механику грунтов.

«Основания и фундаменты».

Введение

И фундаментов

Свайные фундаменты

Искусственно улучшенные основания

Проектирование и устройство грунтовых и песчаных подушек. Поверхностное уплотнение грунтов. Глубинное уплотнение песков динамическими воздействиями, песчаными сваями и др. Уплотнение грунтов статической нагрузкой, водопонижением. Область применения методов. Закрепление грунтов (цементация, силикатизация, электрохимическое закрепление, смолизация, термический метод, армирование грунта, метод гидроразрыва, метод струйной технологии).

Крепление стен и осушение котлованов при устройстве фундаментов

Назначение и способы креплений. Распорные крепления. Шпун-товые стенки. Искусственное замораживание грунтов. «Стена в грунте». Область применения способов.

Водоотлив. Открытый водоотлив в различных грунтовых условиях. Искусственное понижение уровня грунтовых вод и область его применения (иглофильтры, глубинные насосы, противофильтрационные завесы).

Методические указания по изучению

Теоретического курса

Приступая к изучению теоретического материала, следует прежде всего ознакомиться с программой дисциплины.

Теоретический материал представлен в основной литературе, и в зависимости от имеющегося учебника и с учетом программы следует выбрать материал, подлежащий изучению.

В результате изучения дисциплины «Основания и фундаменты» студент должен знать :

состав и объем инженерно-геологических исследований для промышленного и гражданского строительства;

принципы проектирования фундаментов;

расчеты и конструкции фундаментов мелкого заложения;

расчеты и конструкции свайных фундаментов;

методы искусственного улучшения свойств грунтов;

способы устройства котлованов и фундаментов глубокого заложения;

методы водопонижения в грунтах;

особенности проектирования фундаментов на структурно-неус-тойчивых грунтах и в особых условиях;

устройство фундаментов при реконструкции предприятий и зданий, методы усиления оснований и фундаментов;

уметь :

оценить инженерно-геологические условия строительной площадки; правильно выбрать способ производства работ, обеспечивающий сохранность естественной структуры грунтов основания;

проектировать основания и фундаменты зданий и сооружений по предельным состояниям на основе вариантности решений;

рассчитывать устойчивость откосов и определять давление грунта на подпорные стенки;

понимать :

задачи курса и перспективы развития разделов данной науки;

особенности расчета фундаментов различных типов;

методы устройства подземных сооружений, в том числе объектов гражданской обороны;

особенности работы оснований и фундаментов глубокого заложения;

вопросы проектирования и конструирования фундаментов при динамических воздействиях.

Изучение дисциплины «Основания и фундаменты» базируется на следующих ранее изучавшихся курсах: инженерная геология, сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности, гидравлика, строительная механика, строительные конструкции, технология строительного производства, охрана труда, экономика строительства.

Задание на курсовое проектирование

Выбор задания производится в соответствии с двумя последними цифрами студента.

Схема сооружения . Вариант схемы сооружения (рис. 1-10) при-нимается по предпоследней цифре шифра: нечетные вариант размеров и нагрузок - для студентов, у которых последняя цифра шифра нечетная, четный - если последняя цифра шифра четная или ноль. Усилия по верхнему обрезу каждого рассчитываемого фундамента, обозначенного номером на плане сооружения, приведены в табл. 1 приложения.

Геологические условия . Номер геологических условий прини-мается по последней цифре шифра по рис. 11-15. При этом номер пласта без скобок принимается для шифра, оканчивающегося цифрами от 0 до 4, в скобках - для шифров, оканчивающихся цифрами от 5 до 9. Расчетные показатели физико-механических свойств грунтов указаны в табл. 2 приложения.

Пример. Шифр студента ПГС - 02-138. Номер схемы сооружения - 3 (ремонтный цех). Размеры и нагрузки - по четному варианту. Вариант геологических условий - 8. Из геологических разрезов принимаем номера грунтов в скобках, т. е. по табл. 2: песок пылеватый -16, глина - 3 и суглинок - 5.

Состав и объем проекта

Проект должен содержать:

1) оценку инженерно-геологических условий и свойств грунтов, включая определение расчетного сопротивления грунта основания;

2) разработку вариантов (не менее 3) для наиболее нагруженного и характерного фундамента. По каждому варианту необходимо:

а) выбрать и обосновать глубину заложения фундамента, тип фундамента, тип основания;

в) сделать дополнительные расчеты основания, если они требуются (например, расчет песчаной подушки, глубинного уплотнения и т. д.);

д) определить стоимость каждого варианта, сравнить рассмотренные варианты по технико-экономическим показателям и выбрать основной вариант.

Размеры фундаментов в стадии разработки вариантов следует определять по максимальным вертикальным нагрузкам, считая их центрально приложенными;

3) расчет и конструирование всех намеченных на плане здания фундаментов, а при необходимости и искусственных оснований по принятому (основному) варианту с учетом их внецентренного загружения;

4) расчет осадок двух близко расположенных фундаментов для принятого варианта:

а) абсолютных осадок;

б) относительной осадки;

в) сравнение полученных расчетом осадок с предельными, приведенными в СНиП, и решение вопроса о необходимости устройства осадочных швов;

18
защиту подвальных помещений от подземных вод, разработку конструкции гидроизоляции (при наличии подвала и высоком уровне грунтовых вод). В случае устройства внутренней гидроизоляции следует учесть влияние неравномерных осадок на гидроизоляцию и предусмотреть необходимые мероприятия по ее сохранению;

Все необходимые обоснования решений и расчеты должны при-водиться в пояснительной записке в соответствии с заданием, в ука-занной последовательности, с обязательным изображением эскизов, расчетных схем с указанием размеров и привязок.

Чертеж выполняется в карандаше, туши или с использованием программы «Autocad» на листе формата А1 или нескольких листах формата A3. На чертеже приводятся:

а) схематический поперечный разрез сооружения с прорисовкой фундаментов и основания (масштаб 1:200);

б) конструкции рассмотренных вариантов фундамента, совмещенные с геологическим разрезом (масштаб 1:100);

в) план фундаментов всего здания (или план ростверков, если в качестве основного варианта выбран свайный) с размерами и привязкой к осям (масштаб 1:100); свайное поле (масштаб 1:200);

г) сечения фундаментов с отметками, размерами и привязкой к осям (масштаб 1:50);

д) детали устройства осадочных швов, гидроизоляции, фундаментных балок и др.;

е) вариант свайного фундамента (или фундамента на естественном основании, если в качестве основного варианта принят свайный) – план и сечение (масштаб 1:50).

Пояснения о принятых материалах и их марках, о подготовке под фундамент, особенностях производства работ и прочем приводятся на листе ватмана в виде перечня технических требований.

Приложения

Приложение 1

Усилия на обрезе фундамента от расчетных нагрузок в наиболее невыгодных сочетаниях

32
Продолжение прил. 1

Окончание прил. 1

Примечания: 1. В таблице заданы расчетные усилия для расчета по деформациям. Расчетные усилия для расчета по несущей способности и прочности определяются путем умножения заданных усилий на осредненный коэффициент перегрузки п = 1,2. Усилия на ленточные фундаменты даны на 1 м их длины.

2. Знаки усилий: положительное направление поперечной силы - слева направо, момента - по часовой стрелке, при этом положение фундамента - по разрезу на схеме здания.

3. Для фундаментов, у которых номера со звездочками, достаточно определить только размеры в плане, найдя площадь подошвы по формуле

F = N / (R – γ ср h).

4. Величина R принимается уже вычисленной для наименее загруженного фунда­мента с номером без звездочки.

Приложение 3

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ

Методические указания по изучению дисциплины

и выполнению курсового проекта для студентов

специальности 290300 - промышленное

и гражданское строительство

Санкт-Петербург

Основания и фундаменты: Методические указания по изучению дисциплины и выполнению курсового проекта для студентов специальности 290300 - промышленное и гражданское строительство / СПб. гос. арх.-строит. ун-т; Сост.: В. Д. Карлов, Р. А. Мангушев. СПб., 2003. 40 с.

Приводятся содержание дисциплины «Основания и фундаменты», список литературы по изучению дисциплины, выбор задания на разработку курсового проекта, порядок и последовательность работы над проектом.

Табл. 3. Ил. 15. Библ.: 13 назв.

Рецензент д-р техн. наук, проф, И. И. Сахаров

Основания и фундаменты

Составители: Карлов Владислав Дмитриевич, Мангушев Рашид Александрович

Редактор А. В. Афанасьева

Компьютерная верстка А. М. Николаевой

Подписано к печати 15.09.2003. Формат 60x84 7 16 . Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,5. Уч.-изд. л. 2,75. Тираж 500 экз. Заказ 205. «С» 51.

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет 190005, Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4.

Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 5.

Общие положения

В соответствии со стандартом специальности, учебными планами и типовыми программами дисциплина «Основания и фундаменты» изучается на VIII и IX семестрах и предваряется теоретической подготовкой по другим дисциплинам, входящим в цикл геотехнических наук, включающих инженерную геологию и механику грунтов.

Во время изучения дисциплины «Основания и фундаменты» студент должен освоить теоретический курс, выполнить курсовой проект, сдать экзамен по дисциплине.

Основной теоретический материал для студентов очной формы обучения излагается на лекциях, а около 20 % прорабатывается студентами самостоятельно. На практических занятиях теоретический материал закрепляется путем решения задач и выполнения контрольных работ.

В процессе курсового проектирования приобретаются навыки самостоятельного выполнения расчетов, конструирования фундаментов, проведения технико-экономических сопоставлений их вариантов.

Теоретический материал необходимо изучать в соответствии с действующей программой дисциплины «Основания и фундаменты».

Введение

Основные понятия и определения. Требования к основаниям и фундаментам. Роль отечественной и зарубежной науки и техники в развитии дисциплины. Современное состояние фундаментостроения и перспективы развития. Основные задачи изучения курса.

1. Принципы проектирования оснований

И фундаментов

Предельные состояния оснований сооружений. Принципы проектирования. Основные типы сооружений по жесткости. Формы деформаций и смещений сооружений (осадки уплотнения, разуплотнения, выпирания, расструктуривания до и в период эксплуатации сооружений). Понижение чувствительности зданий к неравномерным осадкам. Взаимосвязь проектирования и возведения фундаментов.

Фундаменты на естественном основании

Выбор глубины заложения подошвы фундамента в зависимости от инженерно-геологических условий, климатических условий района строительства, конструктивных особенностей сооружения и других факторов.

Назначение фундаментов. Типы фундаментов. Материал для фундаментов. Конструкции сборных и монолитных фундаментов.

Гидроизоляция. Гидроизоляция подвальных помещений. Дренаж. Защита фундаментов от агрессивных вод.

Проектирование оснований и фундаментов. Расчеты оснований по деформациям и несущей способности. Порядок расчета оснований и фундаментов. Расчет центрально- и внецентренно-нагруженных жестких фундаментов. Расчет фундамента при действии горизонтальной нагрузки.

Гибкие фундаменты. Понятие о гибких фундаментах. Расчетные модели оснований. Область применения расчетных методов.

Свайные фундаменты

Типы свай и виды свайных фундаментов. Ростверки. Сваи, по-гружаемые в грунт в готовом виде. Сваи, изготавливаемые в грунте. Явления, происходящие в грунте при погружении свай и изготовлении набивных свай. Работа одиночной сваи и сваи в кусте.

Определение несущей способности свай-стоек и свай трения (висячих) расчетом по СНиП 2.02.03-85. Практические методы определения несущей способности свай (испытанием статической нагрузкой, динамический метод, статическим и динамическим зондированием).

Проектирование свайных фундаментов. Последовательность расчета центрально- и внецентренно-нагруженных свай фундаментов. Расчет свайных фундаментов при действии горизонтальных нагрузок. Расчет осадок свайных фундаментов.

План лекции.

1.1. Работа грунта под нагрузкой.

1.2. Естественные основания. Виды грунтов и их важнейшие характеристики.

1.3. Искусственные основания.

2. Фундаменты малоэтажных жилых зданий.

2.1. Классификация фундаментов

2.2. Конструктивные решения фундаментов.

1. Основания фундаментов и их характеристика.

1.1. Работа грунта под нагрузкой

Грунты – это геологические породы, залегающие в верхних слоях земной коры, состоящие из твердых частиц (зерен) разной крупности (скелета грунта) и пор, заполненных или воздухом полностью, либо частично водой. А грунт, который находится под фундаментом в напряженном состоянии от действия нагрузки от здания, называется основанием фундамента .

Основание фундамента представляет собой массив грунта, расположенный под фундаментом и непосредственно воспринимающий через него нагрузки от здания или сооружения.

Эти нагрузки вызывают в основании напряженное состояние (рис.7.1), которое при достижении определенного уровня может привести к деформациям , как самого основания, так и фундамента.

Вследствие давления, предаваемого зданием на основание, грунты под фундаментом испытывают значительные сжимающие усилия. Под действием этих усилий грунты равномерно уплотняются. Такие равномерные деформации называют осадкой грунта, которая вызывает осадку фундаментов.

Неравномерные деформации грунта, происходящие в результате уплотнения и, как правило, коренного изменения структуры грунта под воздействием внешних нагрузок, собственной массы грунта и других факторов (замачивания просадочного грунта, подтаивание линз льда в грунте и т.д.), называют просадками. Они могут вызвать повороты фундаментов и т.п. вплоть до разрушения. Просадки оснований недопустимы.

Для того чтобы осадки не оказали опасных воздействий на работающие под нагрузкой конструкции, а также не повлияли на условия эксплуатации зданий, установлены предельные величины деформаций основания и напряжений в грунте , возникающих под подошвой фундаментов.

1.2. Естественные основания. Виды грунтов и их важнейшие характеристики.

Если грунты неподвижны и способны воспринимать нагрузку без предварительного усиления, то они могут быть использованы в качестве естественных оснований .

Качество естественного основания зависит от многих факторов, однако в первую очередь, его определяет вид грунта, его влажность, уровень грунтовых вод и условия промерзания.

Естественные основания – это грунты, которые в природном состоянии имеют достаточную несущую способность, небольшую и равномерную сжимаемость, не превышающую допустимые значения .

По своему строению грунты состоят из частиц, удерживаемых от взаимного смещения различным образом: жесткой связью между зернами (спаянностью) – в сцементированных грунтах, постоянно сохраняющих свою структуру; силой трения – в сыпучих грунтах; силой сцепления – в связных грунтах.

Грунты, используемые в качестве оснований зданий и сооружений, подразделяют в зависимости от геологических характеристик на скальные и нескальные .

К скальным грунтам относятся: изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткими связями между зернами (спаянные и сцементированные), залегающие в виде сплошного или трещиноватого массива. К таким породам относят, например, граниты, базальты, песчаники, известняки. Под нагрузкой от зданий и сооружений указанные породы не сжимаются и являются наиболее прочным естественным основанием.

К нескальным грунтам относятся крупнообломочные , песчаные и глинистые .

Крупнообломочные грунты по своей структуре (зерновому составу) подразделяются на щебенистые (вес частиц крупнее 10 мм составляет более половины) и дресвяные (вес частиц размером 2 – 10 мм составляет более 50 %). Если в этих грунтах преобладают окатанные частицы, они соответственно получают названия галечникового или гравийного.

Пески в сухом состоянии представляют в своей массе сыпучий грунт. По крупности частиц различают пески: гравелистые , крупные , средней крупности, мелкие и пылеватые с соответствующим соотношением частиц от 2 мм до 0,05 мм в % от веса воздушно-сухого грунта. Песчаные грунты из гравелистых, крупных и средней крупности песков мало сжимаемы и при достаточной мощности слоя служат прочным и устойчивым основанием зданий и сооружений.

Глинистые грунты относятся к категории связных грунтов с размерами плоских частиц, не превышающими 0,005 мм, и толщиной менее 0,001 мм. Глинистые частицы скреплены силами внутреннего сцепления, величина которого зависит от влажности грунта. Глинистые грунты пластичны, т.е. способны при увлажнении переходить из твердого состояния в пластическое и даже в текучее. Глинистые грунты, находящиеся в твердом сухом состоянии, служат прочным основанием.

К глинистым грунтам относятся также суглинки и супеси, содержащие наряду с глинистыми частицами примеси песка. Содержание этих примесей характеризуется так называемым «числом пластичности». Для супесей это значение составляет от 0,01 до 0,07, для суглинков – от 0,07 до 0,17.

При наличии в глинистых грунтах до 15 – 25 % (по весу частиц крупнее 2 мм к указанным наименованиям должны прибавляться термины «с галькой» («со щебнем») или «с гравием» («с дресвой»); если же содержание частиц составляет 25 – 50 % (по весу) прибавляются термины «галечниковый» («щебенистый»), «гравелистый» («дресвянистый»). При наличии частиц крупнее 2 мм более 50 % (по весу) грунты относятся к крупнообломочным.

В зависимости от степени влажности или степени заполнения пор водой различают грунты маловлажные , влажные и насыщенные водой. Крупнообломочные и песчаные грунты с крупностью частиц выше средней при увлажнении мало сжимаемы и могут служить устойчивым основанием. Увлажнение мелкозернистых песчаных грунтов снижает их несущую способность тем больше, чем меньше размеры частиц грунта. Особенно сильно влияет на снижение несущей способности грунта увлажнение пылеватых песков с глинистыми и илистыми примесями. Такие грунты в водонасыщенном состоянии становятся текучими и называются плывунами . Возведение зданий на таких грунтах требует дополнительных мер по усилению основания.

В строительной практике встречаются насыпные грунты – искусственные насыпи, образованные в результате культурной и производственной деятельности человека. Такие грунты формируются при засыпке оврагов, высохших водоемов, на месте свалок и отходов производства и т.п.

Плотность насыпных грунтов часто зависит от характера подстилающего слоя и состава насыпи (наличие мусора, шлаков и др.). Вопрос об использовании насыпных грунтов в качестве основания для зданий и сооружений рассматривается в каждом отдельном случае в зависимости от характера грунта и возраста насыпи. Так, например, песчаные насыпи, в своей основе содержащие песок, самоуплотняются через 2-3 года, а глинистые – через 5 – 7 лет, после чего они могут быть использованы в качестве естественного основания. Несущая способность глинистых грунтов при их увлажнении значительно снижается. При замерзании влажных глинистых грунтов основания происходит замерзание воды в порах: происходит так называемое «пучение», которое часто является причиной деформаций фундаментов и зданий. Поэтому глубина заложения фундаментов от уровня земли на глинистых грунтах должна быть, как правило, ниже глубины зимнего промерзания на 15 – 20 см.

Глинистые грунты (например, лессы и лессовидные ), обладающие в природном состоянии видными невооруженным глазом крупными порами (макропорами), называют макропористыми грунтами. При увлажнении такие грунты из-за содержания в них растворимых в воде извести, гипса и других солей теряют связность, быстро намокают и при этом уплотняются, образуя просадки. Указанные грунты называют просадочными и для обеспечения необходимой прочности и устойчивости возводимых на таких грунтах зданий и сооружений должны выполняться специальные мероприятия по укреплению грунтов основания и по защите их от увлажнения.

Грунтовые воды образуются в результате проникновения в грунт атмосферных осадков. Дойдя до водонепроницаемого слоя («водоупора»), например слоя глины, вода стекает по его склону, просачиваясь через водопроницаемые слои (крупнозернистые и т.п.). Уровень дренируемой воды зависит от близости водоупора к поверхности, от сезонных колебаний уровней воды в водоемах местности и т.п. Этот уровень, называемый уровнем грунтовых вод , может изменяться еще и от проникновения воды сверху – так называемой верховодки при таянии снегов, дождях и при наличии прослоек глинистых грунтов, задерживающих движение воды.

В зависимости от гидрогеологических условий, слои грунта могут быть в различной степени насыщены грунтовой водой. Крупнозернистые грунты содержат ее в том случае, если ниже них залегают водоупорные слои. Мелкозернистые грунты могут содержать грунтовую воду частично или полностью, а глинистые грунты в силу своей большой влагоемкости чаще всего имеют только капиллярную (связную) воду.

Грунтовые воды, содержащие растворенные примеси солей и других веществ, разрушающих материал фундаментов, называют агрессивными.

Для защиты от агрессивных грунтовых вод создаются специальные конструкции, способные работать в агрессивной среде и защищающие фундаменты от разрушения (СНиП 3.02.01-83).

Грунты, имеющие в своем составе лед, называют мерзлыми. Грунты, промерзающие только в течение одного зимнего времени, называются сезонно-мерзлыми; сохраняющие мерзлое состояние непрерывно в продолжении долгих лет – вечномерзлыми. Сезонно-мерзлые грунты в зимнее время под воздействием нулевой или отрицательной температуры района строительства промерзают на некоторую глубину.

Промерзание некоторых из этих грунтов может вызвать их пучение . Грунты, в которых присутствует значительное количество глины (супеси, суглинки и глины), называют вспучивающимися при замерзании. Остальные грунты (пески, гравелистые и др.) составляют группу невспучивающихся при замерзании. Силы пучения всегда направлены снизу вверх, в процессе замерзания или оттаивания происходит смещение отдельных участков поверхности относительно друг друга. По степени пучения грунты разделяются на сильно пучинистые, пучинистые и непучинистые. Более всего пучинят глинистые грунты. При насыщении водой в небольшой степени пучинят мелкие пески. Крупнообломочные и песчаные грунты крупных фракций не пучинят даже в насыщенном водой состоянии. В скальных породах и крупнообломочных грунтах деформации грунта, развивающиеся при замерзании, незначительны либо вовсе отсутствуют.

Содержание статьи

ФУНДАМЕНТ, подземная или подводная часть сооружения, которая передает его грунтовому основанию статическую нагрузку, создаваемую весом сооружения, и дополнительные динамические нагрузки, создаваемые ветром либо движением воды, людей, оборудования или транспорта. Правильно спроектированный фундамент передает все нагрузки грунту таким образом, что исключается возможность недопустимой осадки и разрушения сооружения. Как правило, это достигается распределением нагрузки по достаточно большой площади, выемкой грунта до уровня крепких пород, залегающих на большей глубине, применением свай, погруженных в слой слабых пород до слоя более крепких, или укреплением поверхностного слоя слабого грунта. Если всю площадь опоры образует скальный грунт, то осадка будет ничтожно малой. Трудности возникают, когда сооружение требуется возвести на грунте с высокой сжимаемостью, особенно если она меняется.

Основные виды фундаментов: фундамент на естественном основании, плавучий сплошной фундамент и свайный фундамент с забивными и набивными сваями. Особое место занимают специальные подводные фундаменты.

Фундаменты на естественном основании.

Такие фундаменты бывают сплошные плитные (из железобетонных плит) и перекрестные (в виде решетки из железобетона, стали, а иногда из дерева). Площадь контакта фундамента с грунтом должна соответствовать нагрузке с учетом предполагаемого отпора грунта. Максимальный отпор (реактивное давление) грунта определяется экспериментально на основе принципов механики грунтов, и в государственных строительных нормах даются таблицы допускаемого отпора грунта для тех или иных географических зон. Фундамент должен быть правильно рассчитан на сопротивление изгибу и сдвигу. Подошва фундамента должна быть ниже максимальной глубины промерзания грунта, чтобы не сказывалось вспучивание грунта при замерзании. Безопасная глубина зависит от годовых колебаний температуры, от типа и диапазона вариаций местных грунтов и от нормального уровня подземных вод. Кроме того, иногда наблюдаются сезонные изменения объема глинистых грунтов, чего нельзя допускать под фундаментом, заложенным на естественном основании.

В очень холодных регионах, например арктических, грунт промерзает на большую глубину и оттаивает лишь в верхнем слое толщиной 0,5–3 м. В таких условиях «вечной мерзлоты» необходим особый подход к строительству фундамента на естественном основании. Обычно предусматривается теплоизоляция между верхней частью сооружения и подошвой его фундамента, предотвращающая таяние подпочвы с последующим вспучиванием грунтового основания при повторном замерзании.

Плавучий фундамент.

На глубоких пластах грунта с высокой сжимаемостью применяются расширенные сплошные фундаменты, которые поддерживают сооружение как бы «на плаву» в пластичном грунте. Если сплошной фундамент правильно спроектирован, то осадка и перекосы равномерно распределяются по всему сооружению и в верхней части сооружения не возникает серьезных деформаций.

Считается, что сплошной фундамент будет плавучим, если его масса с учетом всех нагрузок примерно равна массе вытесненного грунта (или воды); тогда достигается равновесие, и большая осадка не возникает. Это правило предъявляет несколько завышенные требования к глубине. Благодаря внутреннему трению грунт выдерживает более значительную нагрузку, нежели вес вынутого грунта, хотя и при несколько большей осадке. Для равномерного распределения нагрузки, передаваемой грунтовому основанию колоннами, применяются плиты и балки из преднапряженного бетона, перевернутые арки с бетонными плитами, распределительные фундаментные решетки, перевернутые арки с ребром и оболочки. Фундамент должен быть правильно рассчитан на сопротивление изгибу, сдвигу и нормальным силам.

Забивные сваи.

В случае слабых грунтов применяются фундаменты, в которых основными элементами, передающими нагрузки от сооружения основанию, являются сваи, погружаемые в грунт. Нагрузки передаются не только за счет опорного давления, но и за счет бокового трения об уплотненный грунт. Благодаря частичной разгрузке окружающим грунтом сваи свайного «куста» меньше нагружаются, чем отдельно стоящие сваи.

Забивные сваи могут быть деревянными, бетонными и стальными. Деревянная свая (шпала) представляет собой обработанное бревно диаметром около 30 см в головке (комле) и длиной 3–15 м. Бревна должны быть прямыми, ошкуренными, со срезанными под корень сучками. Для увеличения трения на боковых поверхностях деревянные сваи иногда снабжают деревянными или металлическими обручами. Бетонные сваи могут изготавливаться либо на месте, либо в заводских условиях. Сборные сваи должны быть обязательно хорошо армированы сталью, чтобы они не боялись погрузки-выгрузки и ударов при забивании. Стальная свая допускает наращивание до ~90 м и обычно представляет собой двутавровый профиль или трубу подходящей длины. Стальная обсадная труба диаметром 20–60 см после погружения в грунт, заполняется бетоном. Применяются рифленые с поверхности толстостенные стальные трубные сваи со стальным сердечником на конце для ослабления удара при вхождении в грунт. Такие сваи-оболочки тоже заполняются бетоном. Для повышения прочности в трубные сваи-оболочки обоих типов вставляют стальной двутавровый профиль. Иногда внутренний бетон выбивают наружу из нижнего конца сваи, создавая тем самым расширенную опору. Погружение свай в грунт осуществляют забивкой, вдавливанием, вибрированием и завинчиванием. Забивку свай производят с помощью копровых установок с паровоздушными и дизель-молотами. Процесс погружения сваи в песчаный и гравийный грунт значительно облегчается и ускоряется, если грунт под нижним концом сваи размывается сильной струей воды, для чего в теле сваи может быть оставлен канал или смонтирована труба для подачи воды (под давлением около 0,7 МПа).

Набивные сваи.

Набивные сваи применяются в тех случаях, когда сооружения повышенной тяжести приходится устанавливать на прочном грунте, покрытом сверху толстым слоем слабого. Для этого в слабом грунте бурят скважину до слоя скальной породы, ортштейна или гравия и заполняют ее бетоном. Для умеренно прочных грунтов пригоден т.н. чикагский способ: грунт вынимают последовательно секциями по 1,5 м, закрепляя каждую деревянной боковой опалубкой перед тем, как приступать к разработке грунта следующей секции. Построенная таким образом набивная свая передает нагрузки от опоры колонны непосредственно прочному грунту. Иногда ее для увеличения площади опоры расширяют на нижнем конце, если он не доходит до скальной породы. Часть нагрузки передается грунту за счет трения на боковых поверхностях сваи.

Кессонные набивные сваи изготавливают, забивая паровым копром в грунт широкий открытый с торцов стальной обсадной цилиндр. Затем из погруженного цилиндра вынимают грунт и заполняют освободившееся пространство бетоном, предварительно вставив внутрь для армирования, если это необходимо, двутавровый стальной профиль. Стальная обсадная труба, оставленная в скважине, повышает прочность сваи пропорционально площади своего поперечного сечения и модулю упругости.

Подводные фундаменты.

Для обеспечения безопасного пространства для рабочих и оборудования строительство подводного фундамента начинают с того, что строят шпунтовое ограждение или опускной колодец. Эти водозащитные приспособления позволяют удалить с места расположения будущего фундамента воду и грунт, расчистить его и выполнить необходимые работы с точностью, возможной на сухом грунте.

Шпунтовое ограждение.

Шпунтовые ограждения наиболее подходят при малых глубинах воды, хотя известны случаи, когда они применялись при глубине до 30 м. Такие ограждения строятся из деревянных или стальных шпунтовых свай, устанавливаемых в один или два ряда и скрепляемых так, чтобы они выдерживали напор воды. Межсвайный промежуток двухрядного ограждения заполняется уплотненным грунтом, что препятствует протеканию воды. Ячеистое шпунтовое ограждение делается из замкнутых цилиндрических стальных ячеек, заполненных грунтом. Вода откачивается из зоны ограждения насосами.

Опускной колодец.

Открытый опускной колодец представляет собой полую цилиндрическую оболочку, по размерам соответствующую фундаменту и внутри хорошо укрепленную поперечными стенками. Обычно опускной колодец применяется для устройства глубоких опор, передающих давление на нижние, более прочные слои грунта. Колодец опускают на дно, заполняют его внутренний ряж камнем, и сверху настраивают кессонную набивную сваю. Грунт вынимают через скважины: илистый – откачкой, а плотный – подъемником с многочелюстным грейферным землечерпальным ковшом. Погруженный колодец и кессонные сваи, образованные путем набивки бетоном грунтоподъемных скважин, служат фундаментом для устоя – опоры верхней части сооружения. Бетон для укладки на этом фундаменте подводится по металлическому бетоноводу диаметром не менее 20 см, опущенному сверху под воду. Бетоновод можно также опустить непосредственно на дно.

Кессоны.

Кессоны применяются на большой глубине, не позволяющей установить шпунтовое ограждение. Кессон представляет собой большую неглубокую стаканоподобную оболочку, которая в перевернутом виде опускается на дно водоема. Размеры кессона определяются площадью грунтового основания, соответствующей полной проектной нагрузке при заданном допускаемом отпоре донного грунта. Если кессон лежит на скальном грунте, то по диаметру он может лишь немного превышать опору закрепляемого на нем устоя или другого опорного элемента конструкции. Высота кессона определяется уровнем грунтового основания и уровнем высоких вод. Следовательно, предварительно необходимо получить данные об уровне и характере грунтового основания. Кессоны обычно изготавливают на суше, буксируют на понтонах на место закладки фундамента и крепят к кустовым сваям. Если глубина воды недостаточна для буксировки на плаву, то кессон можно собрать на сваях в нужном месте и потом опустить на дно.

Рабочая камера предусматривается по всей площади кессона; ее высота составляет около 2 м. К камере непрерывно подводится сжатый воздух под давлением, исключающим возможность натекания воды. Рабочие входят в камеру повышенного давления и выходят из нее через воздушный шлюз, который служит также для выгрузки вынутого грунта и снабжения строительными материалами. Грунт разрабатывается на дне и под острыми кромками стенок, так что кессон постепенно опускается под собственным весом и весом настраиваемого устоя. При этом давление в нем повышается соответственно наружному давлению. Когда кессон достигает прочного грунта, на котором он должен лежать, его рабочую камеру заполняют уплотненным бетоном, служащим фундаментом для устоя или другой опоры.

Кессон обычно громоздок и неудобен в управлении. Волны затрудняют его установку, а неравномерное боковое давление грунта мешает точно направлять его путем выемки грунта под острыми кромками стенок. В зависимости от прочности грунта и условий работы скорость погружения кессона в грунт может составлять от 3 см до 2,5 м в сутки. Максимальная известная глубина погружения кессона под воду составляет около 40 м. Избыточное давление на такой глубине (в 3,5 раза превышающее атмосферное) находится на пределе допустимого для человеческого организма.

Люди, длительное время работающие в условиях повышенного давления воздуха, подвержены двум специфическим заболеваниям. Одно, менее серьезное, по симптомам напоминает простуду («забитый нос») и может перейти в пневмонию. Другое – кессонная болезнь (воздушная эмболия) – нередко вызывает паралич с летальным исходом.

Опоры моста.

Опоры моста (устои и быки) – это элементы, промежуточные между фундаментом и верхней частью мостового сооружения. Однако их часто относят к фундаменту. Устои, которые обычно представляют собой бетонные стены, поддерживающие береговые концы моста и удерживающие грунтовое заполнение его въездной части, выполняются заодно со своим фундаментом и передают нагрузку непосредственно грунтовому основанию. Быки же, подобно колоннам, опираются на свои фундаменты и поддерживают верхнюю часть сооружения. Фундаменты мостовых опор могут быть на естественном основании, свайными или кессонными и проектируются так, чтобы они выдерживали все нагрузки и защищали конструкцию от вымывания грунта водным потоком.

Временные фундаменты.

Когда требуется заменить или укрепить фундамент, его заменяют или усиливают по частям, применяя при необходимости боковые подпорки и подпорные балки.

Замена по частям.

На коротких участках через определенные интервалы вынимают грунт под старыми фундаментами до нового грунтового основания. В образовавшихся котлованах строят участки новой стены с соответствующими фундаментами и соединяют их с нижней частью старой стены. Когда эти участки стены завершены, они поддерживают старую стену до завершения разработки грунта на оставшихся промежуточных участках и сооружения новых пристроек стены.

В другом варианте усиления фундамента в грунт под стеной с некоторыми интервалами забивают металлические трубы. Когда трубы доходят до нового грунтового основания, их очищают изнутри от грунта и заполняют бетоном вплоть до нижнего обреза стены. Эти трубные сваи поддерживают стену во время сооружения пристроек стены и новых фундаментов.

Фундаменты на естественном основании. Область применения, конструктивные особенности, классификация. Инженерно-геологические изыскания и их оценка. Принципы проектирования.

Фундаменты – это подземная или подводная часть сооружения, воспринимающая нагрузки от вышерасположенных конструкций и передающая их на основания.

Фундаменты можно разделить на разновидности: фундаменты мелкого заложения на естественном основании, свайные фундаменты и фундаменты глубокого заложения .

Фундаменты мелкого заложения на естественных основаниях.

Фундаменты мелкого заложения на естественных основаниях называют такие фундаменты, которые сооружают в открытых котлованах глубиной не менее 5-6 м. Основное требование к фундаментам - их достаточная прочность , долговечность , морозостойкость , стойкость против агрессивного воздействия подземных вод .

Фундамент должен иметь такие размеры, чтобы среднее давление по подошве (под подошвой) фундамента не превосходило расчетного сопротивления грунта основания. Кроме того, расчетные значения абсолютных осадок и разностей осадок между отдельными фундаментами одного сооружения не должны превосходить установленных нормами проектирования предельных значений.

Для устройства фундаментов используют железобетон , бетон , бутобетон , бутовую кладку , иногда – цементогрунт .

Разновидности фундаментов мелкого заложения:

1) отдельные фундаменты под колонны в сочетании с фундаментными балками (рандбалками);

2) столбчатые фундаменты под кирпичные стены ;

3) ленточные фундаменты под кирпичные стены (непрерывные);

4) ленточные фундаментыпод колонны ;

5) фундаменты из перекрестных лент под колонны ;

6) фундаменты в виде сплошной плиты ;

7) массивные фундаменты.

1). Отдельные фундаменты под колонны в сочетании с фундаментными балками (рандбалками) применяются обычно в промышленных зданиях при не слишком больших нагрузках на грунт, достаточно прочных имало сжимаемых грунтах, гибкой схеме работы надземной части здания, когда колонна и ригели или колонна и ферма соединены шарнирно.

Различаются способом крепления фундамента с колонной.

Чаще всего:

а) замоноличивание (мелкие колонны) (рисунок 1:1).

Рисунок 1.1. 1 – бетон на мелком заполнителе не ниже класса бетона самого фундамента (не ниже В20); 2 – стакан;

б) большие колонны – без стакана, жесткий стык – сварка и стык замоноличивается бетоном.

Рисунок 1.2.

2). Отдельные фундаменты под кирпичную стену (бесстаканные , столбчатые ). Применяются для малоэтажных зданий, при хороших грунтовых условиях, как правило, для частного индивидуального строительства.

Рисунок 1.3. Отдельный фундамент под кирпичную стену (бесстаканный, столбчатый)

Рисунок 1.4. Поперечные сечения столбчатых фундаментов

3). Ленточные фундаменты под кирпичные стены .

Ленточные фундаменты иногда называют непрерывными. Применяются при равномерной нагрузке от стен на грунт и постоянных вдоль стены грунтовых условиях (условие плоской деформации (l/b ≥ 10).

Изменение размеров глубины заложения возможно только на отдельных участках ограниченной длины. Участки, имеющие разные размеры фундаментов, отделяются осадочными швами .

Применяются при значительных нагрузках и достаточно слабых грунтах. Несущественно изменяют жесткость сооружения. Почти не работают на изгиб в продольном направлении (при большой жесткости стен).

Рисунок 1.5. Сборный ленточный фундамент под стену

Рисунок 1.6. Ленточные фундаменты:

а - монолитный; б - сборный сплошной; в - сборный прерывистый;

1- армированная лента; 2 - фундаментная стена; 3 - стена здания; 4- фундаментная подушка; 5 - стеновой блок

Рисунок 1.8. Конструкции фундаментных плит:

а - сплошная; б - ребристая; в – с угловыми вырезами

4) Ленточные фундаментыпод колонны .

Применяются при шаге колонн не более 6 м и при наличии слабых грунтов.

Уменьшают неравномерности осадки отдельных колонн.

5) Перекрёстные ленточные фундаменты под колонны. Применяется при малом шаге колонн, при больших нагрузках и слабых грунтах. Перекрестные ленты позволяют выравнивать осадку не только отдельных колонн в ряду, но и здания в целом.

Рисунок 1.9. Перекрёстные ленточные фундаменты под колонны

6). Сплошной плитный (гладкий) фундамент. Фундаменты в виде сплошной плиты, как под колонны, так и под кирпичные стены устраивают под всем сооружением или его частью в виде железобетонных плит под сетку колонн и стен. Такие фундаменты работают на изгиб в двух взаимно перпендикулярных направлениях, имеют небольшую равномерную осадку, им не страшно подтопление поверхностными водами, а также они защищают подвальные части здания. Размеры таких фундаментов обусловлены размерами сооружения в плане.

Рисунок 1.10. Сплошной плитный (гладкий) фундамент под колонны

Рисунок 1.11. Сплошной плитный (гладкий) фундамент

Рисунок 1.12. Фундамент в виде сплошной плиты

Рисунок 1.13. Плитные фундаменты со сборными стаканами

Рисунок 1.14. Плитный фундамент с монолитными стаканами

Рисунок 1.15. Плитный ребристый фундамент

Рисунок 1.16. Сплошной фундамент под группу колонн

Рисунок 1.17. Сплошной коробчатый фундамент

7) Массивные фундаменты - это фундаменты массивных сооружений с массивной подземной частью (фундаменты плотин, мостовых опор, доменных печей, дымовых труб, под машинное оборудование с динамическими нагрузками). Они создают большую инерцию, препятствуют колебаниям, уменьшают амплитуду, скорость, ускорение колебаний и т.д.

Рисунок 1.18. Массивный фундамент под доменную печь

Рисунок 1.19.Фундамент доменной плиты

Рисунок 1.20. Основания под печи, располагаемые в нижнем этаже здания:

а - у каменных стен здания; б - в проемах стен на уширении их фундаментов 1 - печь; 2 - гидроизоляция; 3 - предтопочный стальной лист; 4 - деревянный пол; 5 - кирпичный бутовый или бетонный фундамент; 6 - песок; 7 - открытая отступка; 8 - кирпичная стена; 9 - заделка раствором; 10 - перемычки стены; 11 - глухая разделка толщиной в полкирпича

По способу устройства фундаментов в котловане различают монолитные и сборные .