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.