ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ
1. Физические и механические характеристики грунтов
Грунт — это обобщенное наименование горных пород, залегающих преимущественно в пределах зоны выветривания Земли и являющихся объектом инженерностроительной деятельности человека.
Основанием называется грунт, воспринимающий нагрузку от вышележащих конструкций здания/сооружения.
По классификации, принятой в строительных нормах и правилах, грунты разделяются на скальные и нескальные.
К скальным грунтам относятся изверженные, метаморфические и осадочные породы
с жесткими связями между зернами, залегающие в виде монолитного или трещиноватого
массива. К нескальным (рыхлым) относятся грунты: крупнообломочные несцементированные (валунные, галечниковые, гравийные, щебенистые, дресвяные), песчаные (пески
разной крупности), глинистые (глины, суглинки), супеси.
По физико-механическим свойствам породы делятся на монолитные, пластичные,
сыпучие и плывунные (насыщенные водой сыпучие породы — плывуны).
Физико-механические свойства грунтов (пород) характеризуются рядом показателей:
 Объемная масса породы — это масса единицы объема породы при естественной влажности и пористости. Объемная масса влажной породы зависит
от количества содержащейся в ней воды и пористости. Объемная масса влажной породы учитывается в горном деле при расчетах горного давления, давления грунтов на свайное крепление котлованов и др.
 Пористость — это суммарный объем всех пор, приходящийся на единицу
объема породы. Показатели, характеризующие пористость пород, используют
при определении водопроницаемости и сжимаемости пород.
 Влажностью называют отношение массы воды, содержащейся в породе, к
массе абсолютно сухой породы в процентах.
 Сжимаемостью называют способность породы к уменьшению объема под
воздействием нагрузки.
Кроме указанных свойств пород, при решении отдельных строительных вопросов
учитывают прочность, твердость, упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, разрыхляемость горных пород;
 Прочность — это свойство горных пород сопротивляться разрушению под
действием внешней нагрузки. Различают прочность при сжатии, растяжении,
изгибе, скалывании и ударе.
 Твердостью называют способность горной породы сопротивляться проникновению в нее другого более твердого тела (например, острия пики отбойного
молотка). Твердость пород определяют по специальной шкале.
 Упругость — свойство горных пород изменять свою форму или объем под
действием внешней нагрузки и возвращаться к первоначальной форме или
объему после снятия этой нагрузки.
 Пластичность — это свойство горных пород деформироваться без разрушения под действием внешней нагрузки и оставаться в деформированном состоянии после ее снятия.
 Хрупкость — свойство горных пород разрушаться под действием ударных
нагрузок без заметной остаточной деформации.
 Вязкостью называют способность горной породы сопротивляться силам,
стремящимся разъединить ее частицы. При горных работах вязкость пород
оценивают по сопротивлению, оказываемому породой при отделении части ее
от массива.
 Разрыхляемость — это увеличение объема горной породы при ее выемке из
массива. Разрыхляемость характеризуется коэффициентом разрыхления, представляющим собой отношение объема вынутой породы к первоначальному
объему породы в массиве.
Крепость горных пород характеризуется их сопротивляемостью различным механическим воздействиям: бурению, отбойке, взрыванию, разработке другими механическими
средствами. Крепость пород зависит от многих физико-механических свойств: твердости,
вязкости, трещиноватости, хрупкости, упругости.
2. Причины развития неравномерных осадок и просадок основания
При неравномерных конечных осадках и неравномерном затухании их во времени
основания опускаются на различную величину, вызывая перераспределение усилий и деформаций в надземных частях зданий и сооружений. Неравномерные осадки ухудшают
эксплуатацию сооружений, вызывают перенапряжение в отдельных конструкциях и элементах и их повреждение.
Основными причинами развития неравномерных осадок уплотнения являются неоднородность основания и неоднородность напряженного состояния.
К неоднородности основания относятся: выклинивание слоев под отдельными частями здания, линзообразное залегание грунтов, неодинаковая толщина слоев, различие в
плотности грунта, использование различных слоев грунта под отдельными частями здания (скала и сжимаемый грунт, скопление валунов, старые фундаменты) и др.
Неоднородность напряженного состояния грунтов в основании обуславливается
неодинаковой загрузкой фундаментов, взаимным влиянием загрузки соседних фундаментов, неодновременной консолидацией грунтов в основании и пр.
Развитие неравномерных осадок уплотнения обычно не заканчивается в период
строительства, а продолжается в первые годы или же десятилетия эксплуатации (на пылевато-глинистых грунтах).
Неравномерные осадки разуплотнения связаны с откопкой котлована и уменьшением напряжений ниже его дна. Величина их неравномерности зависит от неоднородности основания и изменения напряженного состояния при откопке (глубины котлована,
наличия подземных вод и других факторов). Эти осадки обычно заканчиваются в период
строительства.
Неравномерные осадки выпирания связаны с развитием пластических деформаций грунта основания. Они могут развиваться, если давление по подошве фундамента
превышает расчетное сопротивление грунта. Это чаще всего происходит при увеличении
нагрузки на фундаменты во время эксплуатации зданий (при заниженной величине заглубления подошвы фундамента по отношению к полу подвала).
Неравномерные осадки расструктуривания связаны с нарушением структуры
природного грунта в период производства строительных работ, особенно работ нулевого
цикла. Развитие осадки расструктуривания, как правило, заканчивается в период строительства и значительно реже — в первые годы эксплуатации.
Неравномерные осадки в период эксплуатации зданий могут развиваться под воздействием уплотнения грунтов, различных вод (грунтовых, ливневых, производственных), ослабления подземными и котлованными выработками, динамики, геологических
процессов и других факторов.
При наличии достаточно большой толщи однородных пылевато-глинистых грунтов
и равномерно приложенной нагрузки по длине здания происходит блюдцеобразное понижение поверхности (прогиб), которое распространяется иногда далеко за пределы загруженной площадки. Средняя часть здания вогнута, а края наклоняются к центру загруженной площадки. Такой характер деформации объясняется тем, что на угловых участках нагрузка распределяется по большей площади, распространяясь вперед за пределы
конца стены. Следовательно, концы стен, получая большую площадь опоры, имеют и
меньшую осадку. При такой деформации по краям стен могут возникать наклонные трещины, идущие от краев к середине под углом примерно 45°. Нижние концы трещин
направлены в сторону меньших осадок. В средней части здания часто образуется трещина в виде перевернутого знака у: более широкая внизу и сужающаяся кверху. В верхней
части стены по середине здания могут быть признаки разрушения кладки от раздробления. Если в стенах имеются горизонтальные пояса, то под ними в средней части здания
могут появиться горизонтальные трещины. Деформации прогиба могут появляться, если
под фундаментами в средней части здания имеются участки слабых грунтов или пустот,
если средняя часть здания несет большую нагрузку, если в основании торцевых частей
здания имеются твердые включения (скала, скопления валунов).
Деформацию выгиба испытывают здания с тяжелыми каменными стенами и слабонагруженными внутренними колоннами, а также при наличии слабых или ослабленных оснований в торцевых частях здания, расположенных рядом котлованов или траншей (за счет выдавливания грунта из-под несущего пласта основания), построек около
торцевых частей зданий, значительного количества жестких включений под серединой
здания и т. п. Углы в этом случае садятся больше и наклонные трещины имеют большую
ширину вверху. Направление нижних концов трещин — также в сторону меньших осадок, т. е. к середине здания. Наружные стены могут наклоняться кнаружи, образуя vобразные трещины в соединениях с поперечными стенами. Особенно часто это встречается при внецентренном загружении фундаментов наружных поперечных стен. В зависимости от конфигурации общей осадки соответствующие наклонные трещины появляются во внутренних стенах. При этом перекашиваются дверные рамы (проемы являются
ослабленными местами в стенах и здесь концентрируются напряжения). Перекрытия,
опирающиеся на рамы каркаса, могут испытывать большие осадки без повреждений, но
если они опираются непосредственно на грунт или на отдельные фундаменты, оседающие независимо от стен, могут возникать серьезные повреждения и расстройства в стыках. Деформация выгиба значительно опаснее прогиба, так как трещины раскрываются
вверху, а это может привести к тому, что торцевые стены потеряют устойчивость, перекрытия обрушатся и т. п.
Осадка крайних частей здания или сооружения возникает обычно по причинам,
указанным выше, но оказывающим влияние на одну из торцевых частей здания. Этот вид
деформации также является опасным.
Перекос здания или сооружения возникает в результате разности осадок соседних
или нескольких расположенных в ряд фундаментов за счет разной нагрузки на рядом
расположенные фундаменты или наличия слабых или ослабленных грунтов под одним из
фундаментов. Перекос приводит к возникновению косых трещин, что особенно опасно в
узких простенках.
Крен (наклон) испытывают жесткие сооружения при неравномерных осадках отдельных фундаментов. Причинами этого вида деформаций могут быть различные факторы. Крен фундамента приводит к повороту нижней части конструкций.
Скручивание сооружений возникает при развитии крена в разных частях длинного
сооружения в противоположные стороны. Наибольшие повреждения получают, как правило, верхние этажи отдельных конструкций или здания в целом.
Обычно сооружения подвергаются одновременно различным деформациям, некоторые из них могут являться преобладающими, а другие — слабо выраженными.
3. Виды фундаментов мелкого заложения глубина заложения до 6м
1. Ленточные фундаменты под стены и колонны.
2. Ленточные прерывистые фундаменты под стены.
3. Столбчатые фундаменты под стены.
4. Отдельно стоящие фундаменты под колонны.
5. Щелевые фундаменты.
6. Фундаменты в вытрамбованных котлованах.
7. Сплошные фундаменты в виде ж/б плит.
8. Коробчатые фундаменты.
Ленточные фундаменты под стены устраиваются монолитными или из сборных
блоков. В монолитном варианте армируется только плитная часть фундамента. В сборном варианте используются железобетонные подушки и бетонные блоки для фундаментных стен. Толщина подушки 300, 500 мм. Ширина от 600 до 3200 мм. Ф. блоки - ширину
300, 400, 500, 600 мм и высоту 280, 580 мм. Длина 880, 1180 и 2380 мм. Ленточные ф. под
колонны - из монолитного железобетона. Если ленты в двух взаимно перпендик. направлениях, то это ф. из перекрестных лент.
Применение прерывистых ф. допускается при надежных грунтах и относительно
небольших нагрузках. Зазоры между плитами заполняют песком с последующим уплотнением.
Отдельные сборные ф. прим. под колонны каркасных зд. В зависимости от размеров
- цельные или составные.
Сплошные фунд. из универсальных сборных блоков: со скошенными ребрами и повышенной жесткости.
Бетонные, бутобетонные и каменные фундаменты устраивают в монолитном варианте и проектируют как жесткие, так как плохо сопротивляются растягивающим напряжениям. Ж/б монолитные ф. проектируют как изгибаемые конструкции на сжимаемом
основании с учетом совместной работы сооружения с грунтом. В завис. от действующих
усилий, грунтовых условий и размеров опирающихся на них к-ций - одно-, двух- и трехступенчатые.
Под подошвой монолитных фундаментов устраивают подготовку из тощего бетона
или слоя щебня, втрамбованного в грунт, политого цементным раствором.
Определение несущей способности фундаментов мелкого заложения заключается в
вычислении размеров подошв фундаментов сооружений. В результате расчета также
определяют размеры фундамента по высоте и его необходимое армирование.
4. Виды свай и свайных фундаментов. Методы определения несущей
способности свай.
Различают сваи забивные, или заводского изготовления, и набивные, которые
устраивают непосредственно на строительной площадке в полостях пробуренных скважин заданного диаметра. Сваи-стойки, прорезая слои слабых грунтов, передают нагрузку
своим острием на глубоко расположенный прочный грунт, а висячие сваи воспринимают
ее преимущественно боковой поверхностью за счет сил трения по всей высоте сваи.
Практически чаще всего имеет место сочетание этих двух состояний работы сваи.
В соответствии с направлением погружения конструкций в грунт различают сваи
вертикальные и наклонные. Анкерные и корневидные сваи применяют в тех случаях, когда фундамент предназначается для восприятия значительных горизонтальных и выдергивающих усилий.
Расположение свай в плане может быть: одиночным - под отдельно стоящие опоры;
ленточным в несколько рядов - под стены зданий; кустовым - под тяжелые колонны и
опоры; в виде сплошного свайного поля - под специальные высотные сооружения (дымовые трубы, доменные печи и т. п.).
Из забивных свай наиболее ударостойкими являются железобетонные предварительно напряженные сваи, верхняя, часть которых дополнительно армируется или усиливается ударопрочным фибробетонным оголовком. Известно, что в процессе забивки свай
в них возникают не только сжимающие, но и значительные растягивающие усилия, которые воспринимает стержневая, проволочная или прядевая арматура. Для изготовления
свай используют бетон не ниже М200, для предварительно напряженных - бетон М300,
М400.
При возведении фундаментов в слабых, неустойчивых, водонасыщенных грунтах
находят применение следующие виды железобетонных свай: с уширениями по стволу;
полые круглого сечения; призматические и пирамидальные (рис. 1). Последние, благодаря развитым наклонным поверхностям могут воспринимать большие нагрузки по сравнению с призматическими при меньшем расходе материала. Ромбовидные сваи сплошного
сечения рекомендуются на пучинистых грунтах.
Рис. 1. Конструкции сборных свайных фундаментов
А - конструкции забивных свай: а - с центральным армированием; б - с периферийным армированием; в
- с внутренней полостью; г - булавовидные; д - пирамидальные; е - ромбовидные; Б - вид полносборного
ростверка; 1 - балка ростверка; 2, 3 - сварные сетки; 4 - пирамидальные сваи
Представляют интерес также сваи с инвентарной многократно используемой арматурой и составные многосекционные, которые стыкуются между собой сваркой закладных деталей, болтовым соединением металлических фланцев или замковыми устрой-
ствами специальной конструкции. В качестве анкерных инвентарных устройств широко
распространены винтовые сваи металлические или комбинированные с использованием
железобетона и пластмассы. Винтовой наконечник имеет диаметр лопасти, превышающий диаметр сваи, благодаря чему такие сваи хорошо воспринимают как вдавливающие, так и выдергивающие нагрузки.
Массовому внедрению забивных свай способствовало быстрое освоение серийного
производства высокопроизводительного копрового и сваебойного оборудования (для коротких свай длиной до 8 м, длинных 16-20 м и составных), которое позволило прорезать
толщу слабых грунтов и опирать сваи на прочные коренные породы.
Опыт применения свайных фундаментов показал, что весьма эффективной является
конструкция свая-колонна, позволяющая полностью исключить работы по устройству
ростверков, а также связанные с этим земляные работы. Использование свай-колонн при
строительстве сельскохозяйственных объектов позволяет уменьшить стоимость работ
нулевого цикла и сократить продолжительность строительства. В особых условиях строительства, при возведении фундаментов глубокого заложения, применяют стальные сваи,
которые изготовляют из прокатных профилей или труб длиной 20-30 м, а также трубобетонные
стальные
полые
трубы,
заполненные
бетоном.
Шпунтовые сваи (деревянные, стальные и железобетонные) используют при устройстве
сплошного ограждения, подпорных стен, временного ограждения котлованов и траншей.
Металлический шпунт промышленного сортамента изготовляется различного профиля и
может быть применен многократно.
Ростверк - конструкция, которая объединяет сваи и служит для равномерной передачи нагрузки сооружения на них и на грунтовое основание. Различают сборные, сборномонолитные и монолитные высокие и низкие ростверки. При безростверковых свайных
фундаментах для крупнопанельных зданий до двенадцати этажей вместо ростверков
применяют сборные железобетонные оголовки, которые насаживают на головы свай и
замоноличивают бетоном М200. Устройство монолитных ростверков связано с выполнением трудоемких опалубочных, арматурных и бетонных работ, которые отсутствуют при
сборном варианте. Наиболее экономичны предварительно напряженные железобетонные
ростверки.
При устройстве сборных ростверков к точности погружения свай предъявляются
высокие требования: отклонения свай в плане не должны превышать ±0,05 м, по вертикали ±0,01 м. При устройстве сборно-монолитных ростверков допуски менее жесткие,
так как узел соединения и сопряжения элементов сборного ростверка со сваей выполняется в монолите (с применением инвентарно-съемной опалубки).
5. Методы определения несущей способности свай
Наибольшие напряжения сжатия сваи получают в момент забивки. При вертикальной нагрузке от сооружения материал свай, забитых в грунт, чаще всего недогружен.
Качество бетона свай, изготовляемых в грунте, часто бывает низким, особенно если
бетонирование производили подводным способом. В связи с этим на прочность материала вводят снижающий коэффициент условий работы, равный 0,6.
Расчеты свай по прочности материала производят в соответствии с методами расчета металлических, деревянных, бетонных и железобетонных конструкций.
По характеру передачи нагрузок на грунт:
а) сваи-стойки, передающие нагрузку на грунт нижним концом и опирающиеся на
скальные или малосжимаемые прочные грунты. Сваи-стойки прорезают толщу слабых
или недостаточно прочных грунтов и опираются на прочные грунты скальные, полус-
кальные, крупнообломочные, плотные песчаные грунты, глинистые грунты твердой консистенции. Свая-стойка всю свою нагрузку передает через нижний конец, так как при
малых ее перемещениях/осадках не происходит мобилизации сил трения по боковой поверхности. Свая-стойка работает как сжатый стержень в упругой среде. Ее несущая способность определяется прочностью самого материала на сжатие и сопротивлением грунта
под нижним концом/острием.
б) висячие сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты и передающие нагрузку на
грунты основания боковой поверхностью и нижним концом. Висячие сваи рассчитываются по грунту. Сопротивление погружению сваи возникает под ее пятой-острием (лобовое сопротивление) и по боковой поверхности (сопротивление благодаря мобилизации
сил трения). К висячим сваям относятся сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты. Они
имеют перемещения под воздействием нагрузок значительно большие, чем сваи-стойки,
при этом в работу включаются силы трения, возникающие по боковой поверхности. У
висячих свай нагрузка передается основанию не только через нижний конец, но и боковой поверхностью. Нагрузка на такую сваю определяется суммой этих двух воздействий.
Таким образом, висячая свая отличается от сваи-стойки тем, что передает нагрузку от веса сооружения не только своим нижним концом, но и боковой поверхностью.
Рис. 1. Схемы передачи нагрузки на основание: а – свая-стойка; б – висячая свая
6. Обследование фундаментов и порядок проектирования фундаментов
при реконструкции.
Целью обследования зданий и инженерно-геологических изысканий является получение необходимых материалов для принятия решений о возможности или целесообразности реконструкции зданий, методах усиления или переустройства фундаментов, закрепления грунтов основания и обеспечение нормальной эксплуатации прилегающих
зданий.
Обследование здания заключается в детальном изучении технической документации, включающей общие сведения о здании, времени его строительства и сроках эксплуатации, объемно-планировочном и конструктивном решениях, системах инженерного
оборудования; выявлении режима и технологических особенностей эксплуатации здания,
установлении факторов, отрицательно действующих на основание, фундаменты и конструкции здания; фиксации визуально, а при необходимости и инструментально, дефектов в конструкциях здания (трещины в элементах несущих и ограждающих конструкций,
коррозия арматуры, прогибы изгибаемых элементов, смещение плит перекрытий и т. п.).
Обследование фундаментов и несущего слоя грунтов основания производится из
шурфов (отрытых фрагментов фундаментов), число которых определяется состоянием,
размером и конфигурацией объекта, грунтовыми условиями и целями обследования.
Шурфы откапываются в наиболее загруженной части здания, в каждой секции, в местах
промежуточных опор, обязательно на участках развития трещин и в аварийных зонах.
Глубина шурфов должна быть на 0,5 м ниже подошвы фундамента. При обследовании
фундаментов в открытых шурфах устанавливается тип и материал фундамента, его форма, размеры в плане и глубина заложения. Одновременно выявляются выполненные ранее подводки и усиления, трещины и другие дефекты кладки, определяется прочность
материала фундамента, наличие гидроизоляции, наличие и состояние дренажа. Ширину
подошвы фундамента и глубину его заложения определяют натурными обмерами. У
свайных фундаментов замеряется диаметр или размеры поперечного сечения свай, шаг,
число свай на 1 м длины. Прочность материала фундаментов устанавливается испытанием проб в лаборатории, механическими или неразрушающими методами.
Инженерно-геологические изыскания. Задачей инженерно-геологических изысканий является: определение геол. и гидрогеологического режима площадки, агрессивности
подземных вод, характеристик физико-механических свойств грунтов, возможности развития неблагоприятных геологических процессов, прогноз изменения гидрогеологической и экологической обстановки в связи с реконструкцией зданий.
Инженерно-геологические изыскания при реконструкции включают: бурение скважин с отбором образцов грунта и определением уровня подземных вод; зондирование
грунтов; испытания грунтов штампами или статическими нагрузками; лабораторные исследования физико-механических свойств грунтов и химический анализ воды.
Основным видом работ при инженерно-геологических изысканиях для строительства и реконструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений является бурение скважин. Бурением скважин определяют порядок грунтовых напластований, наличие линз, выклинивание пластов, распределение их в плане, уровень подземных вод с
указанием водовмещающих пород и водоупоров и т. д.
После выполнения указанных выше работ анализируют материалы обследований и
изысканий, в соответствии с проектом реконструкции здания определяют действующие и
проектируемые нагрузки, оценивается возможность использования существующих и места расположения дополнительных фундаментов, в случае необходимости разрабатывают
решения по усилению существующих фундаментов и укреплению грунтов основания.