Основания и фундаменты
Классификация оснований
Массив грунта, залегающий под фундаментом, способный надежно воспринимать давление от здания, называют естественным основанием. Грунты, образующие основание, подразделяют на глинистые, песчаные, крупнообломочные и скальные. Они представляют собой горные породы, состоящие из минеральных частиц различной величины, между которыми находятся пустоты (поры). Прочность сцепления между частицами этих грунтов значительно меньше прочности самих частиц.
Скальные грунты представляют собой плотные горные породы с прочной связью между зернами и залегают в виде сплошного каменного массива (скалы) или трещиноватого слоя.
Если грунты основания не способны надежно воспринимать давление от здания, их искусственно укрепляют. Основание, грунты которого искусственно укреплены, называют искусственным.
Естественные основания
Под действием нагрузки от здания глинистые, песчаные и крупнообломочные грунты способны сжиматься, что может повлечь за собой осадку здания. Величина и равномерность осадки зависят от величины нагрузки, сжимаемости грунта, формы и размеров опорной площади фундамента. Следовательно, естественные основания должны обладать небольшой равномерной сжимаемостью и достаточной несущей способностью, определяемой нагрузкой, при которой величина и равномерность осадки не могут нарушить прочность и устойчивость здания.
Сжимаемость и несущая способность различных видов грунтов неодинаковы, так как различны их физико-механические свойства. Физико-механические свойства грунтов зависят от природы и структуры самих грунтов, а также от наличия или отсутствия в них грунтовых вод. В большинстве случаев грунтовые воды снижают несущую способность основания, а колебание уровня грунтовой воды (например, в результате изменения сезонного режима) может вызвать неравномерную осадку здания. Грунт, способный удерживать в своих порах воду, при промерзании вспучивается, так как вода при замерзании увеличивается в объеме. Силы пучения велики и могут вызвать недопустимые деформации здания.
Пучение грунтов зависит не только от их влажности, но и от уровня грунтовых вод, крупности зерен и глубины промерзания грунтов. Чем мельче зерна грунта и чем больше в нем влаги, тем больше способность грунта к пучению при замерзании. Естественные основания должны обладать постоянством объема при промерзании или находиться ниже линии промерзания грунта.
Грунты основания должны быть устойчивыми к воздействию грунтовых вод. При наличии в грунтах основания легко растворимых в воде веществ (например, гипса) возможно выщелачивание грунта, что может привести к недопустимым деформациям основания.
Естественные основания должны обладать неподвижностью, что связано с устойчивостью пластов грунта. Большой угол наклона пластов может привести к скольжению одного пласта по другому (оползень) и к разрушению здания.
Грунты и их строительные свойства
Глинистые грунты состоят из мельчайших частиц чешуйчатой формы размерами в плане менее 0,005 мм и толщиной менее 0,001 мм. Благодаря большой удельной поверхности соприкосновения и наличию тонких капилляров, всасывающих грунтовую воду, создается взаимное притяжение частиц, обуславливающее вязкость глинистых грунтов. К глинистым грунтам относятся глина, супеси и суглинки.
Глиной называют глинистый грунт, содержащий более 30% глинистых частиц; суглинком — грунт, содержащий от 10 до 30% тех же частиц, и супесью — от 3 до 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 глинистые грунты вспучиваются. Вследствие небольшой скорости уплотнения частиц грунты обладают длительной осадкой под нагрузкой.
Песчаные грунты состоят из частиц размером от 0,1 до 2,0 ли: 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 при насыщении водой мелких и пылеватых песков последние становятся текучими (плывуны), приобретают подвижность, при этом уменьшается их несущая способность. Крупные и чистые пески при промерзании не вспучиваются, дают быструю, окончательную осадку под нагрузкой и являются хорошим основанием.
Крупнообломочные грунты представляют собой не связанные 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; основания из них надежны.
Скальные грунты залегают сплошными массивами или трещиноватыми слоями и (при отсутствии трещин или пустот) являются наиболее прочным основанием. К скальным грунтам относят граниты, кварциты, песчаники, известняки и др.
Грунты, имеющие прочность при сжатии образца в водонасыщенном состоянии менее 50 кГ/см2, называют полускальными грунтами (растворимые гипсы и гипсовые песчаники, плотные глины и песчаники).
Кроме перечисленных грунтов, в строительстве приходится иметь дело с растительными (верхний гумусовый слой) грунтами, непригодными для оснований из-за неоднородности состава и сильной сжимаемости под нагрузкой, насыпными грунтами в виде различных пород и отходов, являющимися ненадежными основаниями из-за неравномерной сжимаемости.
Для выбора основания грунты на участке строительства исследуют с целью определения характера напластований, толщины слоев, физико-механических свойств грунтов, вида грунтовой воды и уровня ее стояния. Исследование (разведку) грунтов производят способом бурения или шурфования.
При бурении, как наиболее эффективном методе разведки грунтов, с каждым изменением пласта (но не реже, чем, через 50 см) отбирают пробы грунта для исследования его в лабораторных условиях.
При шурфовании роют отдельные колодцы (шурфы), позволяющие брать пробы с ненарушенной структурой и осматривать грунт в условиях природного залегания. На основании исследований составляются геологические разрезы (рис. 38), дающие представление о геологическом строении участка и являющиеся исходным материалом для расчета основания.
Расчет основания сводится к ограничению деформаций конструкций здания из-за возникающих осадок основания такими пределами, которые не могут вызвать в конструкциях повреждений, недопустимых для нормальной эксплуатации зданий. Предельно допускаемые осадки для различных зданий определяются по СНиПу (в среднем 8—10 см), а фактически возможные осадки основания под нагрузкой от здания определяются расчетом.
Нагрузка от здания на основание передается через опорную площадь (подошву) фундамента.
Условно считают, что под подошвой фундамента (рис. 39) давление (в кГ/см2) от здания распределяется по прямолинейному закону с интенсивностью
р — N/F,
где N — нагрузка от здания; F — площадь подошвы фундамента.
Рис. 38. Чертежи геологического строения площадки строительства:
а — план местности с нанесением строения, скважин и шурфов; б — разрез по скважине № 1 (колонка); в — геологический разрез по линии скважин № 1—4
Рис. 39. Распределение давления в основании:
а — условная схема распределения давления на поверхности основания; б — то же, на глубине основания; в — эпюры давления в горизонтальных слоях основания; 1 — поверхность основания; 2 — фундамент; 3 — грунт
В глубине пластов основания давление от здания передается во все стороны, постепенно уменьшаясь по величине, в чем наглядно можно убедиться, если представить массив грунта в виде плотно уложенных шариков, к двум из которых приложена сила Р = 1.
При рабочем проектировании несущая способность грунтов принимается только на основании результатов исследования их на площадке. Для предварительных расчетов и при проектировании небольших зданий разрешают пользоваться нормативными давлениями на грунт при глубине заложения подошвы фундамента от 1,5 до 2,0 м и ширине подошвы фундамента от 60 до 150 см, равными (кГ/см2):
Нормативные давления скальных грунтов принимают равными 1/6 предела прочности скальной породы на сжатие.
Искусственные основания
Несущую способность слабого грунта можно увеличить путем его уплотнения, закрепления или замены слабого грунта на более прочный (рис. 40). Уплотняют грунты укаткой, трамбованием, вибрацией и устройством грунтовых свай. Укатка грунта катками уплотняет его на 15—20 см, а трамбование падающими механическими трамбовками — на глубину до 1,5—2,0 м, причем в последнем случае несущая способность увеличивается до 30%.
Рис. 40. Грунтовые искусственные основания: а — грунтовая свая; б —песчаная подушка; в — усиление грунта силикатизацией (цементи- зацией); 1 — слабый грунт; 2 — песчаная подушка; 3 — зона уплотненного грунта силикатизацией (цементизацией); 4 — инъекторы; 5 — фундамент
Крупнообломочные и крупнозернистые песчаные грунты хорошо уплотняются поверхностными вибраторами. Укатка, трамбование и вибрирование относятся к поверхностному уплотнению грунтов. Глубинное»уплотнение грунтов производят глубинными вибраторами или с помощью грунтовых свай (путем заполнения заготовленных скважин песком или грунтом с послойным трамбованием его до необходимой плотности). Длина свай может достигать 15 м.
Закрепление грунтов производят силикатизацией, цементированием или битумизацией — путем нагнетания по трубам в грунт соответствующих эмульсий. Применение одного из трех указанных способов определяется видом грунтов.
Силикатизацией (нагнетание в грунт через трубы жидкого стекла и хлористого кальция) можно закрепить песчаные пылеватые грунты, плывуны.
Цементированием (нагнетание в грунт цементного молока) закрепляют гравелистые крупно- и среднезернистые грунты.
Битумизация применяется для закрепления сильно трещиноватых скальных и песчаных пород и песчаных грунтов. После затвердевания эмульсии в порах грунта происходит его окаменение.
Замена слабого грунта более плотным производится устройством песчаных или щебеночных подушек. Песчаная подушка выполняется из среднезернистого или крупнозернистого песка с увлажнением и уплотнением его при укладке. Подушка распределяет давление от фундамента на большую площадь слабого грунта и уменьшает его за счет своей упругости.
Источник
Понятие об основаниях и требования к ним
Основанием называется массив грунта, расположенный под фундаментом и воспринимающий нагрузку от здания. Основания бывают двух видов: естественные и искусственные.
Естественным основанием называют грунт, залегающий под фундаментом и способный в своем природном состоянии выдержать нагрузку от возведенного здания.
Искусственным основанием называют искусственно уплотненный или упрочненный грунт, который в природном состоянии не обладает достаточной несущей способностью по глубине заложения фундамента.
Действующие нагрузки деформируют основания, вызывая осадку здания.
В соответствии с изложенным грунты, составляющие основание, должны отвечать следующим требованиям: обладать достаточной несущей способностью, а также малой и равномерной сжимаемостью (большие и неравномерные осадки здания могут привести к его повреждению и даже разрушению); не быть пучинистыми, т.е. иметь свойство увеличения объема при замерзании влаги в порах грунта (в соответствии с этим требованием выбирают глубину заложения фундамента, которая должна быть согласована с глубиной промерзания грунта в районе строительства), не размываться и не растворяться грунтовыми водами, что также приводит к снижению прочности основания и появлению непредусмотренных осадок здания; не допускать просадок и оползней.
Просадки могут произойти при недостаточной мощности слоя грунта, принятого за основание, если под ним располагается грунт, имеющий меньшую прочность (более слабый грунт). Оползни грунта могут произойти при наклонном расположении пластов грунта, ограниченных крутым рельефом местности.
Главное внимание при проектировании уделяется вопросу обеспечения равномерности осадок. При этом необходимо прежде всего учитывать, что нагрузка от здания может вызвать разрушение основания при его недостаточной несущей способности. С другой стороны, основание может и не разрушиться, но осадка здания окажется столь неравномерной, что в стенах здания появятся трещины, а в конструкциях возникнут усилия, способные привести к аварийному состоянию всего здания или его части.
Грунтовые воды оказывают значительное влияние на структуру, физическое состояние и механические свойства грунтов, снижая несущую способность основания.
Если в грунте содержатся легко растворимые в воде вещества (например, гипс), возможно его выщелачивание, что влечет за собой увеличение пористости основания и снижение его несущей способности. Для этого в необходимых случаях снижают уровень грунтовых вод. В случаях, когда скорость движения грунтовых вод такая, что возможно вымывание частиц мелкозернистых грунтов, необходимо применять меры по защите основания. Для этого устраивают вокруг здания специальное шпунтовое ограждение или дренаж.
Каковы же основные виды грунтов и их свойства? Грунты разнообразны по составу, структуре и характеру залегания. Принята следующая строительная классификация грунтов:
Скальные – залегают в виде сплошного массива (граниты, кварциты, песчаники и т.д.) или трещиноватого слоя. Они водоустойчивы, несжимаемы и при отсутствии трещин и пустот являются наиболее прочными и надежными основаниями. Трещиноватые слои скальных грунтов менее прочны.
Крупнообломочные – несвязные обломки скальных пород с преобладанием обломков размером более 2 мм (свыше 50%). К ним можно отнести гравий, щебень, гальку, дресву. Эти грунты являются хорошим основанием, если под ними расположен плотный слой.
Песчаные – состоят из частиц крупностью от 0,1 до 2 мм. В зависимости от крупности частиц пески разделяют на гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые. Чем крупнее и чище пески, тем большую нагрузку может выдержать слой основания из него. Сжимаемость плотного песка невелика, но скорость уплотнения под нагрузкой значительна, поэтому осадка сооружений на таких основаниях быстро прекращается. Пески не обладают свойством пластичности.
Частицы грунта крупностью от 0,05 до 0,005 мм называют пылеватыми. Если в песке таких частиц от 15 до 50 %, то их относят к категории пылеватых. Когда в грунте пылеватых частиц больше, чем песчаных, грунт называют пылеватым.
Глинистые – связные грунты, состоящие из частиц крупностью менее 0,005 мм, имеющих в основном чешуйчатую форму. В отличие от песков глины имеют тонкие капилляры и большую удельную поверхность соприкосновения между частицами. Так как поры глинистых грунтов в большинстве случаев заполнены водой, то при промерзании глины происходит ее пучение. Несущая способность глинистых оснований зависит от влажности. Сухая глина может выдерживать довольно большую нагрузку. Глинистые грунты делятся на глины (с содержанием глинистых частиц более 30%), суглинки (10-30%) и супеси (3-10%).
Лессовые (макропористые) – глинистые грунты с содержанием большого количества пылеватых частиц и наличием крупных пор (макропор) в виде вертикальных трубочек, видимых невооруженным глазом. Эти грунты в сухом состоянии обладают достаточной прочностью, но при увлажнении способны давать под нагрузкой большие осадки. Они относятся к просадочным грунтам и при возведении на них зданий требуют надлежащей защиты оснований от увлажнения. С органическими примесями (растительный грунт, ил, торф, болотный торф) они неоднородны по своему составу, рыхлы, обладают значительной сжимаемостью. В качестве естественных оснований под здания непригодны.
Насыпные – образовавшиеся искусственно при засыпке оврагов, прудов, мест свалки и т.п. Обладают свойством неравномерной сжимаемости, в большинстве случаев их нельзя использовать в качестве естественных оснований под здания. В практике встречаются также намывные грунты, образовавшиеся в результате очистки рек и озер. Эти грунты называют рефулированными насыпными грунтами. Они являются хорошим основанием для зданий.
Плывуны – образуются мелкими с илистыми и глинистыми примесями, насыщенными водой. Они непригодны как естественные основания. Основания должны обеспечивать пространственную жесткость и устойчивость здания, поэтому нормами предусмотрены допустимые величины осадок здания (80-150 мм в зависимости от вида здания).
Обычно производят тщательные геологические и гидрогеологические исследования грунтов с тем, чтобы определить их физические и механические свойства, а также принять соответствующее решение о конструкциях здания. С этой целью определяют вид и мощность отдельных пластов грунта. В зависимости от этажности здания и местных условий глубина исследования колеблется от 6 до 15 м и более.
Исследование, или разведку грунтов производят путем бурения или шурфования и лабораторными анализами образцов пластов грунта. Если в зоне фундаментов обнаружены грунтовые воды, то необходимо провести их химический анализ, так как эти воды могут быть агрессивными и оказывать разрушающее воздействие на материал фундаментов.
Результаты геологических и гидрологических исследований заносят в специальные журналы, после чего составляют чертежи вертикальных разрезов (колонок) буровых скважин или шурфов и по ним — геологического профиля грунтового массива с указанием полных характеристик пластов грунта и положения грунтовых вод, что дает основание для принятия необходимых решений.
Если грунт на участке строительства не удовлетворяет предъявляемым требованиям, а здание необходимо возводить именно в этом месте, то устраиваются искусственные основания. Такие основания при возведении зданий на слабых грунтах устраивают путем их искусственного упрочнения или заменой слабого грунта более прочным. Упрочнение грунта может быть осуществлено следующими способами:
Уплотнением – пневматическими трамбовками (иногда с втрамбованием щебня или гравия) или трамбовочными плитами массой от 2 до 4 т, который имеют вид усеченного конуса с диаметром основания не менее 1 м (из железобетона, стали или чугуна). Этот способ применяют в случае, если грунты недостаточно плотные, а также при насыпных грунтах. Для уплотнения больших площадей применяют катки массой 10-15 т. Если грунты песчаные или пылеватые, то для их уплотнения применяют также поверхностные вибраторы. Необходимо отметить, что этот метод является более эффективным, так как грунт уплотняется быстрее.
Силикатизацией – для закрепления песков, пылеватых песков (плывунов) и лессовых грунтов. Для этого в песчаный грунт поочередно нагнетают растворы жидкого стекла и хлористого кальция, для закрепления пылеватых песков — раствор жидкого стекла, смешанного с раствором фосфорной кислоты, а для закрепления лессов — только раствор жидкого стекла. В результате нагнетания указанных растворов грунт по истечении определенного времени каменеет и имеет значительно большую несущую способность.
Цементацией – путем нагнетания в грунт по трубам жидкого цементного раствора или цементного молока, которые, затвердевая в порах грунта, придают ему камневидную структуру. Цементация применяется для укрепления гравелистых, крупных и среднезернистых песков.
Обжигом (термическим способом) – путем сжигания горючих продуктов, подаваемых в специально устраиваемые скважины под давлением. Этот способ применяют для укрепления лессовых просадочных грунтов.
Если уплотнить или закрепить грунт затруднительно, слой слабого грунта заменяют более прочным. Замененный слой грунта называют подушкой. При небольшой нагрузке на основание применяют песчаные подушки из крупного или средней крупности песка. Толщина подушки должна быть такой, чтобы давление на нижележащий слабый слой грунта не превышало его нормативного сопротивления.
Источник