Понятие об основаниях и требования к ним

Геологические породы, залегающие в верхних слоях земной коры и исполь­зуемые в строительных целях, называ­ются грунтами. Грунты представляют собой скопление частиц различной ве­личины, между которыми находятся поры (пустоты). Прочность сцепления между частицами грунта во много раз меньше прочности самих частиц. Эти частицы образуют скелет грунта.

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.

Нагрузка, передаваемая фундамен­том, вызывает в грунте оспования на­пряженное состояние и деформирует его. На. рис. 4.1 показана примерная форма напряженного объема грунта. Как видно из рисунка, глубина и ши­рина напряженной зоны значительно превосходят ширину фундамента.

По мере углубления ниже фундамен­та область распространения напряже­ний увеличивается до определенного значения, а их абсолютная величина снижается и постепенно область рас­пространения напряжений уменьшает­ся. На глубине более 6 b грунт прак­тически не испытывает напряжений.

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 же 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, по осадка здания окажется столь неравномерной, что в стенах здания по­явятся трещины, а в конструкциях воз­никнут усилия, могущие привести к аварийному состоянию, всего здания или его части.

Грунтовые воды оказывают значи­тельное влияние на структуру, физиче­ское состояние и механические свойст­ва грунтов, понижая несущую способ­ность основания.

Если же в грунте содержатся легко растворимые в воде вещества (напри­мер, гипс), возможно выщелачивание его, что влечет за собой увеличение по­ристости основания и снижение его не­сущей способности. Для этого в необхо­димых случаях понижают уровень грун­товых вод. В случаях, когда скорость движения грунтовых вод такова, 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 своему составу, структуре и характеру залегания. Принята следующая строи­тельная классификация грунтов:

Скальные — залегают в виде сплош­ного массива (граниты, кварциты, пес­чаники и т. д.) или в виде 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%).

Лёссовые (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) 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, и 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 песками 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).

По СНиП 11-15—74 определяется так­же предельная нагрузка, которую мож­но передать на грунт основания. Дав­ление, вызываемое этой предельной на­грузкой, называется условным расчет­ным давлением (Л^н).

Нормами установлены следующие значения условного расчетного давле­ния на основания при глубине заложе­ния от 1 до 2,5 м и ширине подошвы

фундамента от 0,6 до 1,5 м: для глини­стых грунтов — от 0,1 до 0,6 МПа, а суглинков — от 0,1 до 0,3 МПа, (в за­висимости от влажности и пористости); для песчаных грунтов — от 0,1 до 0,6 МПа (в зависимости от их крупнос­ти и влажности); для супесей — от 0,2 до 0,3 МПа (в зависимости от влаж­ности и плотности); для крупнообломочных грунтов — от 0,3 до 0,6 МПа (в зависимости от крупности частиц); для скальных грунтов допускается при­нимать '/г сопротивления образцов на сжатие в водонасыщенном состоянии.

Этими данными пользуются только для предварительного (прикидочного) расчета размеров фундаментов зданий.

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 определяются вид и мощ­ность отдельных пластов грунта. В за­висимости от этажности здания и мест­ных условий глубина исследования ко­леблется в пределах от 6 до 15 м и бо­лее.

Исследование или разведку грунтов производят путем бурения или шурфо­вания (рис. 4.2,а) 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 гидро­геологических 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 уровня грунтовых вод, что дает основание для принятия необходи­мых решений (рис. 4.2,б,г).

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, которые 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 лёссовых 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 лёссов — 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 применяется для укрепления лёссовых 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.