Выбор конструкций фундаментов

Эксплуатационная надежность и долговечность возводимых на участке построек во многом определяются качеством подготовки основания и правильностью выбора конструкции фундаментов. Не случайно еще Уложение по строительству XVIII века гласило: «На устройство подошвы (основания) и поддела (фундамента) ни трудов, ни иждивения жалеть не должно». В первую очередь это объясняется сложностью и трудоемкостью работ по ремонту фундаментов и влиянием их работы на состояние надфундаментных конструкций построек.

Стоимость возведения фундаментов в зависимости от конструкции здания и грунтовых условий составляет 5—-10% общей стоимости его строительства. При выполнении работ собственными силами можно сэкономить почти 70% их стоимости, причем на земляных работах — 95% и более, при возведении фундамента — почти 50% их стоимости.

Фундаменты малоэтажных зданий и построек могут быть ленточными, столбчатыми и свайными.

Если здание строится из тяжелого материала — кирпича, бетона, шлакобетона, керамзитобетона и т.д., фундамент его делают, как правило, ленточным. Если здание деревянное рубленое, каркасное с заполнением или щитовое, то фундамент может быть как ленточный, так и столбчатый. В обоих случаях можно применять свайные фундаменты, однако если сваи погружают или изготавливают с применением средств малой механизации, то лучше их использовать лишь в качестве фундаментов деревянных зданий.

Ленточные и столбчатые фундаменты можно подразделить в зависимости от глубины их заложения на заглубленные, если подошва фундаментов заложена ниже глубины промерзания грунта, малозаглу б ленные, если фундамент размещен в слое промерзающего грунта, и незаглубленные (поверхностные, если подошва фундамента расположена на поверхности грунта или подсыпки (рис. 1)).

Рис. 1. Фундаменты дачных зданий: а — заглубленных; б — малозаглубленных, в — незаглубленных

Выбор глубины заложения фундамента — один из основных вопросов, которые следует решить застройщику. Не в последнюю очередь это связано с определением расчетной глубины промерзания грунта, которая зависит от так называемой нормативной глубины промерзания, конструкции полов и подвала, условий эксплуатации здания, среднесуточной температуры воздуха внутри него.

Нормативная глубина сезонного промерзания, d— это средняя из ежегодных наибольших глубин сезонного промерзания за срок не менее 10 лет на открытой, оголенной от снега горизонтальной площадке при уровне грунтовых вод ниже глубины сезонного промерзания грунтов.

Если здание зимой не отапливают, то значение расчетной глубины промерзания для наружных и внутренних фундаментов будет на 10% больше^. Если среднесуточная температура отапливаемого здания без подвала с полами по утепленному цоколю близка к 0 °С, то расчетная глубина промерзания равна нормативной, при температуре 15 °С расчетная глубина промерзания на 20% меньше d. Для отапливаемого здания с подвалом расчетная глубина промерзания на 20% меньше d, если температура внутри 0 °С, и на 40% меньше d’ если температура внутри 15 °С.

Чтобы обезопасить фундамент здания от воздействия морозного пучения, а дом — от неравномерных подъемов и осадок, в пучинистых, кроме слабопучинистых, грунтах кирпичные двухэтажные и даже одноэтажные здания лучше устанавливать на фундаменты, традиционно заложенные ниже глубины промерзания, тем более что, как правило, в таких зданиях предусматривают подвалы.

В основном на участках делают малозаглубленные фундаменты, основания и конструкции которых выполняют с учетом предотвращения нежелательных деформаций здания от пучения грунта. Мероприятия при этом сводят к ужесточению конструкции фундаментов, уменьшению слоя пучинистого грунта и мелиорации.

Под сараи, мастерские, душевые, туалеты и другие мелкие деревянные постройки укладывают незаглубленные (поверхностные фундаменты.

Малозаглубленные и незаглубленные фундаменты возводят на участках, сложенных с поверхности песчаными и пылевато-глинистыми грунтами, которые по прочностным свойствам могут быть использованы как естественные основания.

Выбор конструкции этих фундаментов.зависит от степени пучинистости грунта, расчетного сопротивления грунта и неоднородности основания в плане.

Более экономичные столбчатые фундаменты целесообразно устраивать при непучинистых и слабопучинистых грунтах. На среднепучинистых грунтах столбчатые фундаменты надо связать жесткой фундаментной балкой. Между фундаментной балкой и поверхностью грунта необходимо оставлять зазор не менее 15 см.

На сильно и чрезвычайно пучинистых грунтах необходимо выполнить монолитный железобетонный ленточный или перекрестно-ленточный фундамент. Такие же фундаменты рекомендуется сделать на насыпных грунтах и на грунтах с расчетным сопротивлением RQ < 1,5 кгс/см2, а также в случае залегания в пятне застройки здания грунтов с различной сжимаемостью. На сильнопучинистых грунтах возможно возведение ленточного фундамента из отдельных армированных блоков с обязательным соединением их в стыках либо омоноличиванием выпусков арматуры, либо сваркой закладных деталей.

Для зданий небольших размеров (стороны 4—5 м) без подвалов иногда в этом случае целесообразно сделать фундамент в виде жесткой монолитной или сборно-монолитной плиты толщиной 0,30 см.

На среднепучинистых грунтах допускается укладывать блоки в ленту без их соединения, но над и под ними надо забетонировать армированный пояс высотой 10—12 см.

Арматура пояса: 4—6 стержней диаметром 10—14 мм. При этом в кирпичных зданиях необходимо выполнить армированные пояса над проемами или на уровне перекрытия.

При строительстве деревянного здания возможно применение поверхностного фундамента из двух рядов армированных блоков сечением не менее 0,25 х 0,2 м, укладываемых на подсыпку с обязательной перевязкой швов. Длина блока должна быть не менее 2 м. Возможно устройство монолитного железобетонного фундамента такого же сечения.

Рис. 2. Варианты соединения элементов малозаглубленных ленточных фундаментов: а — фундамент из свободно уложенных бетонных блоков; б — сборно-монолитный фундамент из ж/б блоков с выпусками арматуры; в — монолитный ж/б фундамент; г — фундамент из бетонных блоков с ж/б поясами; д — фундамент из бетонных блоков с ж/б поясом: 1 — сборные бетонные блоки; 2 — раствор; 3 — сборные ж/б блоки с выпусками арматуры; 4 — монолитный бетон; 5 — монолитный железобетон; 6 — армированные пояса; 7 — железобетонный пояс

На пучинистых и слабопучинистых грунтах блоки укладывают свободно, без соединения, непосредственно на естественное основание или подсыпку в случае укладки на поверхности.

В остальных случаях малозаглу б ленный фундамент укладывают на уплотненную фильтрующую подсыпку.

В качестве подсыпок применяют пески, кроме пылеватого и мелкого, мелкий щебень, котельный шлак и другие непучинис-тые материалы. При укладке материал подсыпки уплотняют, так как подсыпка одновременно служит и средством повышения несущей способности основания. Подсыпку изолируют от попадания атмосферных осадков, но одновременно предусматривают отвод воды из нее, особенно в случае, если она выполнена в траншеях (рис. 3).

Рис. 3. Фундаменты с отводом воды из основания: а — в водоприемник; б — в водопроницаемый слой; 1 — фундамент; 2 — дренирующая прослойка; 3 — водосборник; 4 — трубка с водоприемными отверстиями

В непучинистых и слабо-пучинистых грунтах она может равняться 0,3—0,7 м, при этом подсыпка может отсутствовать или быть толщиной до 20 см. В среднепучинис-тых грунтах глубина заложения может оставаться такой же, но толщина подсыпки должна увеличиться до (не менее) 30 см при глубине промерзания 1,5 м и до 60 см при глубине промерзания 2 м. В сильнопучинистых грунтах толщину подсыпки увеличивают соответственно до 50 см и 1 м. В чрезвычайно пучинистых грунтах толщина подсыпки должна быть не менее 1/3 глубины промерзания.

Под незаглубленные фундаменты толщину подсыпки увеличивают примерно в 1,5 раза, при этом ширину подсыпки, выходящей за контур фундамента, выполняют не менее чем на 3 ширины фундамента. В связи с этим при сильнопучинистых грунтах из-за большого объема подсыпки, особенно когда имеют место сложности доставки подсыпочного материала, применение поверхностных фундаментов под индивидуальные здания становится нецелесообразным. Назначая глубину заложения фундамента, следует помнить, что уплотненная песчаная подсыпка под фундаментом также является элементом конструкции фундамента. Но для этого ее ширина должна превышать ширину фундамента на (1,5—1,8)d, где —толщина подсыпки. При этом первое значение относится к подсыпкам из песка средней крупности, второе — к крупным и гравелистым пескам. В этом случае за глубину заложения фундамента считают уровень подошвы подсыпки, а за ширину фундамента —ширину траншеи. Ширину непосредственно фундамента определяют, исходя из R0 материала подсыпки.

Ширина фундамента зависит от его материала. Материалом фундамента может быть бут, бутобетон, бетон, железобетон, кирпич, древесина. Для ленточных фундаментов ширина бутового фундамента в зависимости от вида бута может быть 30—50 см, бутобетонного — 30 см, бетонного или железобетонного — до 15 см, кирпичного — не менее 25 см. Минимальные размеры по ширине столбчатых фундаментов соответственно 60, 40, 20 и 38 см. Для снижения неблагоприятных последствий пучения рекомендуется стенки ленточных и столбчатых фундаментов выполнять наклонными и изолировать их от

Рис. 4. Бутовый фундамент: а — на непучинистых грунтах; б — на пучинистых грунтах; 1 — бутовая кладка; 2 — обратная засыпка грунтом; 3 — подушка из крупнозернистого песка; 4— штукатурка цементным раствором и обмазка горячим битумом; 5 — глиняный замок

Рис. 5. Бутобетонный фундамент: а — на непучинистых грунтах; б +- на пучинистых грунтах; 1 — бутобетон; 2 — подсыпка из грунта; 3 — обратная засыпка непучинистым грунтом; 4 — обмазка горячим битумом; 5 — подсыпка из уплотненного песка

смерзания с грунтом рубероидом, пленкой или другим материалом, наложенным на смазку, покрывающую фундамент.

К столбчатым фундаментам относятся и фундаменты из свай, изготовленных из асбестоцементных или металлических труб наружным диаметром от 75 до 200 мм, погружаемых в пробуренные скважины или вырытые котлованы. Глубина заложения свай обычно не превышает 2 м.

Рис. 6. Бетонный фундамент: а — на непучинистых грунтах; б— на пучинистых грунтах; 1 — бетон; 2 — обратная засыпка грунтом; 3 — обмазка горячим битумом; 4 — подушка из крупнозернистого песка

Рис. 7. Кирпичный фундамент: а — на непучинистых грунтах; б — на пучинистых грунтах: 1 — кирпичная кладка; 2 — обратная засыпка грунтом; 3— штукатурка цементным раствором и обмазка горячим битумом: 4— подушка из крупнозернистого песка; 5— опорная подушка из уплотненного грунта

В основании сваи делают уширение, которое не только расширяет площадь опирания фундамента, но и является анкерующим элементом против выпучивания фундамента.

Рис. 8. Столбчатые фундаменты из асбестоцементных труб: а — в непучинистых грунтах; б, в — в пучинистых грунтах; 1 — асбестоце-ментная труба; 2 — бетон уширения; 3 — бетон заполнения; 4 — арматура стыка с уширением; 5 — арматура в трубе или металлическая труба; 6 — подсыпка или втрамбованный щебень; 7— цоколь или ростверк; 8 — песчаная засыпка; 9 — отмостка из глины

Поэтому это уширение делают из бетона, обеспечив арматурой диаметром 8—12 мм связь уширенной пяты с трубой. Трубу заделывают в пяте не менее чем на 0,5 м. Желательно эту арматуру пропустить через всю асбестоцементную трубу, оставив наверху выпуски для заделки их в кладке цоколя или монолитном поясе. Внутренняя полость труб заполняется тоже бетоном, чтобы предотвратить попадание в трубу воды и разрушение трубы при замерзании воды. Зазор между трубой и стенками скважины или котлована заполняют песком или песчано-гравийной смесью. Поверхность трубы обмазывают битумом.

Для изготовления фундамента здания можно использовать и старые чугунные трубы диаметром 100—200 мм с раструбом, очищенные от грязи. Раструб позволяет устанавливать эти трубы и в пу-чинистых грунтах без закладки арматуры. Раструб и внутреннюю полость трубы омоноличивают бетоном (рис. 3.1.9). От низа трубы до подошвы бетона необходимо не менее 20 см, если диаметр котлована существенно превосходит диаметр трубы.

Рис. 9. Фундамент из чугунной трубы: 1 — труба диаметром 160—200 мм; 2 — раструб трубы; 3 — бетон уширения; 4 — засыпка; 5 — втрамбованный щебень; 6 — отмостка

Иногда, привлекая буровые машины, выбуривают котлован диаметром 0,35—0,65 м на глубину 1,5—3,5 м. Глубину бурения назначают такой, чтобы фундамент опирался на плотные слои грунта. Заполняя затем котлован бетоном и армируя верхнюю часть фундамента, получают буронабивные сваи (рис. 3.1.10). Такие фундаменты целесообразны при залегании сверху слабых грунтов, в том числе торфа, и необходимости их прорезки.

Рис. 10. Буронабивная свая: 1 — свая диаметром 300— 650 мм; 2— цоколь; 3 — втрамбованный щебень; 4 — отмостка

Количество свай в фундаменте определяют расчетом. Сопротивление буронабивных свай складывается из сопротивления грунта под ее подошвой и сопротивления трения по боковой поверхности сваи. Для свай, стволом которых являются трубы, устанавливаемые в скважины с зазором, заполняемые песком, трение учитывают только на высоту уширения. Сопротивление по подошве определяют умножением площади опирания сваи на грунт на расчетное сопротивление грунта, трение по боковой поверхности — суммированием по глубине трения на отдельных участках. Сопротивление трения вычисляют, умножая площадь боковой поверхности сваи на расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности.

При этом предполагается, что в дно котлована втрамбовано не менее 10 см щебня, а глубина котлована не менее 2 м. При меньшей глубине котлована значения расчетных сопротивлений определяют по интерполяции.

Рис. 11. Столбчатые фундаменты из древесины: о — без лежней; б — с лежнями

Под стены одноэтажных деревянных зданий иногда делают фундаменты из деревянных столбов (стульев), передающих нагрузку на более плотные слои грунта. Материалом для столбов должна быть древесина сосны, лиственницы или дуба диаметром 27—35 см, при этом обычно используют комлевые концы бревен. Длина столбов на 30—50 см больше глубины заложения столба (1,25—1,8 м). Под нижний конец столба подкладывают плиту, доску, крест из двух пластин, чтобы уменьшить его осадку. На верхних концах столбов, находящихся на пересечении стен, нарезают шипы, входящие затем в соответствующие гнезда окладного венца: длина шипа 13—18 см, ширина — 5—7 см, высота — 9—13 см.

Столбы располагают под всеми углами, в местах пересечения стен и под стенами постройки с промежутками 1,5—3,0 м, а также под отдельными опорами, например, поддерживающими крыльцо, прогоны и пр.

Деревянные столбы — фундамент, хотя и дешевый, но недолговечный. Сосновые столбы стоят 5—8 лет, дубовые — до 12 лет, после чего настолько повреждает их гниль, что они должны быть заменены новыми. Чтобы увеличить срок их службы, дерево пропитывают антисептиками — раствором сулемы медного купороса, поваренной соли, хлористого цинка, креозотом и другими или обжигают и осмаливают.

Столбы обжигают над пламенем костра или на жаровнях; обжигаемое дерево постоянно поворачивают для того, чтобы обугливание происходило равномерно со всех сторон, толщина обугленного слоя должна быть 1,5—2,5 см. При обжиге древесина выделяет смолу и другие вещества, обладающие противогнилостными свойствами, кроме того, под влиянием высокой температуры белковые вещества древесного сока свертываются и становятся несъедобными для низших организмов, обусловливающих гниение дерева, и для разрушающих его насекомых. Столбы, обожженные на длину закапываемой части, затем покрывают горячим битумом, что продлевает срок их службы в 1,5—2 раза.

Так как загниванию наиболее интенсивно подвержена та часть столба, которая расположена в грунте ближе к поверхности, эти части должны быть лучше всего обожжены и покрыты битумом или засмолены. При установке столбов в песчаных грунтах рекомендуется обкладывать их слоем глины на глубину 0,35— 0,5 м от поверхности, При установке в глинистые грунты под столб и в зазоры между ним и стенками скважины засыпают песок, что существенно снижает воздействие на столбы морозного пучения грунта.

Столбчатые фундаменты из бута, бутобетона, бетона, кирпича представляют квадратные или прямоугольные в плане столбы, заглубленные в грунт и возвышающиеся над поверхностью грунта на 0,2—0,5 м. В плане они размещаются под всеми углами здания, пересечениями капитальных стен и всеми капитальными наружными и внутренними стенами. Расстояние между фундаментами 2—3 м, отдельные опоры (пристроек) также опирают на столбчатые фундаменты, расстояние между которыми должно быть больше, чем под основным зданием. Нередко часть столбов, возвышающуюся над грунтом, делают из кирпича, причем ее отделяют от подземной бутовой или бетонной части уступом, называемым обрезом. Обрезы оставляют для того, чтобы при переходе от бутовой кладки или бетона к кирпичной кладке, иметь некоторый запас ширины на случай ошибки в разбивке или неточностей в работе и чтобы какой-нибудь кирпич не оказался на весу.

Ленточные фундаменты представляют собой стенку, заглубленную или лежащую на поверхности грунта, возвышающуюся над поверхностью грунта или подсыпки на 0,2—0,5 м. В деревянных зданиях можно делать ленточные фундаменты только под наружные стены, а внутренние стены опирать на столбчатые фундаменты.

Бутовые фундаменты выкладывают из плитнякового и по-стелистого рваного камня, булыжника. При этом бутовые фундаменты из булыжного камня следует возводить только в распор со стенками траншеи. Бутовым камнем может быть гранит, диорит, базальт, песчаник, плотные известняк и ракушечник. Камни укладывают вручную на растворе без опалубки.

Бутобетонный фундамент выполняют в опалубке, в которую послойно заливают раствор или бетон, а затем утапливают булыжник, бой красного кирпича, бут. При мелких траншеях и вертикальных ее стенках возможно выполнение бутобетонных фундаментов без опалубки.

Наиболее экономичны и долговечны фундаменты из монолитного бетона, укладываемого в траншеи и опалубку с послойным трамбованием. Эти фундаменты применяют для всех типов зданий. Армирование этих фундаментов позволяет применять их на грунтах с малой степенью пучинистости, при этом уменьшая размеры фундамента. Фундаменты могут быть ленточными, столбчатыми, плитными.

Фундаменты из хорошо обожженного глиняного (красного) кирпича-железняка применяют при отсутствии более долговечных материалов. Они уступают по долговечности бутовым, бутобетонным и, конечно, бетонным и железобетонным фундаментам. Требуют защиты от агрессивных вод. Не рекомендуют их применять при большой глубине заложения и высоком уровне подземных вод.

Фундаменты из сборных бетонных и железобетонных блоков существенно сокращают процесс возведения фундамента. Соединение блоков зависит от пучинистости и неоднородности в плане грунта основания. Как правило, применяют сборные блоки заводского изготовления. Однако возможно и индивидуальное изготовление блоков, а также использование в качестве блоков обрезков свай и других железобетонных изделий подходящего профиля.

Заводы сборного железобетона выпускают достаточно разнообразную номенклатуру блоков, которые могут быть уложены как фундаменты. Наиболее распространены фундаментные стеновые блоки: сплошные ФБС и пустотелые ФБП. Для пропуска коммуникаций устанавливают сплошные блоки с вырезом ФБВ.

Рис. 12. План и сечения конструкции цоколя и ленточного фундамента: 1 — песчаная подушка; 2 — ленточный железобетонный фундамент; 3 — кирпичный цоколь; 4 — брусок нижней обвязки; 5 — стена; 6 — утеплитель; 7 — отмостка

Блоки изготавливают из тяжелого бетона, реже — плотного силикатного бетона и керамзитобетона. Для возведения индивидуального дома достаточна ширина блока 30 или 40 см.

Выпускают и более мелкие блоки, например, размерами 300×300×90 мм, 300×300×450 мм, 150×150×300 мм.

Фундаментные блоки укладывают с перевязкой вертикальных швов, глубину которой принимают не менее высоты блока в случае сильно сжимаемых и пучинистых грунтов и не менее 0,4 высоты блока в остальных случаях.

23. Искусственные основания. В каких грунтовых условиях они устраиваются.

К искусственным основаниям прибегают в тех случаях, когда естественные грунты по своим свойствам не отвечают нормаль­ным условиям возведения и эксплуатации здания или сооруже­ния, т. е. являются слабыми. В этих случаях применяют уплотне­ние и закрепление грунтов или заменяют их более прочными, т. е. создают искусственное основание. К искусственным можно также отнести и свайные основания, когда нагрузка от сооружения на грунт передается через сваи, однако обычно такую конструкцию называют свайным фунда­ментом, а не основанием.

Механическое уплотнение грунтов может быть осуществлено тремя способами: непосредственным весом меха­низмов (катки), ударным (трамбовки) и вибрационным (вибра­торы).

Наибольшего эффекта от уплотнения можно добиться при определенной влажности грунта. Оптимальное значение влаж­ности следующее: для песчаных грунтов - 8-17%; для супе­счаных - 15-18%; для суглинистых - 17-20% и для глини­стых - 20-25%.

Катки применяют главным образом для уплотнения связных грунтов и для небольших по толщине слоев несвязных грунтов.

В последнее время получило распространение уплотнение трамбовками, сбрасываемыми с различных кранов или копров. Железобетонные или металлические плиты весом 1-2тпод­нимают на высоту 1-2 ми более и сбрасывают вниз. При этом грунт уплотняется на глубину до 1 м.Такой метод можно при­менять как для связных, так и несвязных грунтов.

Вибрирование применяют для уплотнения только несвязных грунтов при помощи глубинных вибраторов. Этот метод наибо­лее эффективен при уплотнении песчаных грунтов с содержа­нием пылеватых и глинистых частиц не более 20%.

Уплотнение грунтов песчаными и грунтовыми сваями заключается в том, что стальные трубы диаметром не менее 300 ммпогружают в грунт, а затем заполняют их пес­ком или грунтом, заливают водой и навлекают на поверхность. Все эти операции выполняют при помощи вибраторов.

Закрепление грунтов достигается цементацией, биту­мизацией, силикатизацией, стабилизацией, а также при помощи полимерных смол.

Цементациягрунта заключается в нагнетании в его пустоты цементного раствора через предварительно забитые трубы - инъекоры, которые постепенно извлекают из грунта. После затвердения раствора частицы грунта связываются в камневидный массив. Цементацию применяют для закрепления галечниковых и гравийных отложений, а также крупнозернистых и иногда среднезернистых песков.

В гидротехническом строительстве часто используют этот ме­тод для создания водонепроницаемых оснований на трещинова­тых скальных породах. Но на мелкозернистых песках и при наличии трещин менее 0,1-0,22 ммцементация не применима, так как в этом случае раствор плохо проникает в пустоты и тре­щины.

Битумизациягрунта представляет собой нагнетание горя­чего битума или холодной битумной эмульсии в пустоты и тре­щины грунта через специальные инъекторы. Этот метод, так же как и цементацию, применяют только в крупнозернистых и некоторых среднезернистых песках и в трещиноватых скальных породах.

Силикатизацияоснована на способности инъектированного в грунт силикатного раствора (жидкого стекла) переходить в гель, который прочно связывает грунтовые частицы в одно целое. Грунт после силикатизации становится водонепроницае­мым и непросадочным, его прочность достигает 35 кг/см².Си­ликатизация - это наиболее дешевый способ закрепления лессовых и песчаных грунтов, в том числе и плывунов (пылеватых песков, насыщенных водой).

Стабилизацию,или«глинизацию»,грунтов применяют для ликвидации просадочных свойств лессовых грунтов. Этот способ основан на заполнении пор микро- и макроструктуры грунта глинистым материалом. Для этого используют водную суспензию бентонитовой глины, которую инъектируют в грунт под давлением.

Применение карбомидной смолыдля закрепления песчаных грунтов - одно из последних достижений в этой области. Сущ­ность способа заключается в связывании песков раствором карбомидной смолы с отвердителем. Инъектируют смолу с по­мощью оборудования, применяемого при силикатизации плы­вунов. Прочность при сжатии закрепленного карбамидной смо­лой грунта достигает 20 кг/см².

Термический способ укрепления грунтов при­меняют для укрепления просадочных макропористых пород с содержанием глинистых частиц не менее 5-8%. Этот способ можно осуществлять при помощи нагнетания в грунт воздуха, нагретого до температуры 600-800°, или путём сжигания различного горючего (преимущественно солярового масла) непо­средственно в толще грунта. Второй способ более экономичен.

В результате прогрева под влиянием высоких температур в глинистых грунтах происходит ряд физических и химических необратимых процессов, что значительно повышает прочность грунта на сжатие.

Электрическое закрепление грунтов основано, на том, что при пропуске постоянного электрического тока че­рез водонасыщенный глинистый грунт возникают электроосмос (т. е. перенос воды от положительного полюса к отрицатель­ному), электролиз и вторичные химические реакции. В резуль­тате происходит обезвоживание и уплотнение грунта, а также увеличение сцепления между его частицами, уменьшение коэф­фициента фильтраций и размокаемости и т. п.

Замену грунтов применяют в том случае, когда их уп­лотнение или закрепление вызывают ряд затруднений. Слой сла­бого грунта заменяют подушками из песчано-гравелистых или песчаных грунтов. В зависимости от местных условий подушки устраивают как в котловане, так и непосредственно на поверх­ности (подсыпка).

Подсыпки с использованием рваного или булыжного камня нашли применение при устройстве оснований гидротехнических сооружений.

24. Принципы расчета свай в пучинистых грунтах. Как проявляются силы морозного пучения и чем они компенсируются.

3.317 (3.82). Расчет устойчивости фундаментов при действии сил морозного пучения грунтов основания должен выполняться в соответствии с указаниями приложения 6 «Проверка устойчивости фундаментов при действии сил морозного пучения грунтов оснований» (пп. 3.318-3.331 Рук.).

3.318 (1 прил. 6). Расчет устойчивости положения фундаментов при действии сил морозного пучения грунтов основания должен производиться в случаях, когда грунты, соприкасающиеся с боковой поверхностью фундаментов или расположенные под их подошвой, являются пучинистыми и возможно их промерзание.

3.319 (2 прил. 6). К пучинистым грунтам следует относить пески мелкие и пылеватые, а также глинистые грунты и крупнообломочные с глинистым заполнителем, если уровень грунтовых вод расположен на глубине, незначительно превышающей расчетную глубину промерзания этих грунтов [п. 4 настоящего приложения (п. 3.321 Рук.)].

Примечание.

Пески гравелистые, крупные и средней крупности, крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем и скальные грунты при любом положении уровня грунтовых вод относятся к непучинистым грунтам.

3.320 (3 прил. 6). При проверке действия сил морозного пучения на положение фундаментов следует учитывать, что:

а) чем ближе уровень грунтовых вод к глубине промерзания, тем большей степенью пучинистости обладают грунты и поэтому большей величиной сил пучения;

б) поскольку расчетная глубина промерзания по пп. 3.32 — 3.34 и 3.39 настоящей главы (пп. 3.144-3.147 и 3.155 Рук.) зависит от теплового режима и конструктивных особенностей возводимых зданий и сооружений, то один и тот же грунт у фундаментов различных зданий может обладать неодинаковой степенью пучинистости.

3.321 (4 прил. 6). Степень морозной пучинистости грунтов определяется по табл. 1 (табл. 3.39 Рук.) в зависимости от положения уровня грунтовых вод z ниже расчетной глубины промерзания грунта у фундаментов, а для глинистых грунтов и от их консистенции I_L. В случае несовпадения результатов определения по обоим показателям степень пучинистости принимается наибольшей из полученных.

3.322. Классификация степени пучинистости грунтов введена в нормы проектирования оснований для упорядочения выбора мероприятий, уменьшающих возможность появления и величину деформаций вследствие морозного пучения грунтов.

Поскольку пучинистость грунтов зависит от их дисперсности и близости расположения уровня грунтовых вод, то степень пучинистости поставлена в зависимость от обоих факторов. Для глинистых грунтов дан один обобщающий фактор — консистенция грунта.

Примеры определения степени пучинистости

Пример 1. Грунт — супесь с уровнем стояния грунтовых вод 4 м от планировочной отметки. Консистенция в слое промерзания I_L = 0,2. Нормативная глубина промерзания 2,5 м. Здание с полами по грунту, коэффициент m_t = 0,6.

Расчетная глубина промерзания равна

По положению уровня грунтовых вод, расположенного на глубине, более чем на 1,5 м превышающей расчетную глубину промерзания (4-1,5 = 2,5>H = 1,5 м), грунт относится к практически непучинистому, а по консистенции — к слабопучинистому. Таким образом, для расчета устойчивости фундаментов на действие сил морозного выпучивания данный грунт следует считать слабопучинистым.

Пример 2. Грунт — суглинок консистенции I_L = 0,2. Уровень грунтовой воды ниже планировочной отметки на 2,5 м. Нормативная глубина промерзания грунта H^н = 2 м.

Здание — с полами, устроенными по утепленному цокольному перекрытию. Расчетная среднесуточная температура воздуха в помещении +15°С, вследствие чего коэффициент m_t = 0,8. Тогда расчетная глубина промерзания H будет равняться

Таблица 3.39(1 прил. 6)

Степень морозной пучинистости грунтов

Поскольку уровень грунтовой воды ниже расчетной глубины промерзания на величину z, равную

z = 2,5-1,6 = 0,9 м<1 м,

то по этому показателю грунт относится к сильнопучинистому, хотя по консистенции — к слабопучинистому. В данном случае степень пучинистости должна быть принята по положению уровня грунтовых вод, а не по консистенции.

Для тех же самых грунтовых условий при здании с техническим подпольем и среднесуточной температурой воздуха в помещении +15°С коэффициент m_t = 0,5.

Тогда расчетная глубина промерзания грунта равна

и положение уровня грунтовой воды равно

z = 2,5-1 = 1,5 м.

В данном случае тот же самый грунт должен быть отнесен к слабопучинистому как по z, так и по I_L.

3.323 (5 прил. 6). Устойчивость положения фундаментов при действии касательных сил морозного пучения грунтов, прилегающих к их боковой поверхности, должна проверяться по условию

(3.108) (1 прил. 6)

где N^н
- нормативная нагрузка на основание в уровне подошвы фундамента, кгс;

Q^н
- нормативное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания вследствие трения его боковой поверхности о талый грунт, расположенный ниже расчетной глубины промерзания, определяемое по указаниям п. 6 настоящего приложения (п. 3.324 Рук.), кгс;

n₁
- коэффициент перегрузки, принимаемый равным 0,9;

n- коэффициент перегрузки, принимаемый равным 1,1;

τ^н
- нормативное значение удельной касательной силы пучения, принимаемое равным 1; 0,8 и 0,6 кгс/см² соответственно для сильнопучинистых, среднепучинистых и слабопучинистых грунтов;

F- площадь боковой поверхности части фундамента, находящейся в пределах расчетной глубины промерзания грунта, см².

Примечание.

Значение τ^н, отличное от указанного выше, допускается принимать лишь при соответствующем обосновании на основе специальных исследований в полевых условиях.

3.324 (6 прил. 6). Нормативное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания Q^н вследствие трения его боковой поверхности о талый грунт, определяется по формуле:

(3.109) (2 прил. 6)

где f^н_т
- нормативное значение удельного сопротивления сдвигу талого грунта основания по боковой поверхности фундамента, определяемое по результатам опытных исследований; при их отсутствии значение f^н_т допускается принимать для песчаных грунтов равным 0,3 кгс/см² и для глинистых — 0,2 кгс/см²;

F_т
- площадь боковой поверхности фундамента, находящейся ниже слоя, подвергающегося зимнему промерзанию, см².

3.325 (7 прил. 6). Проверка фундамента на действие касательных сил морозного пучения грунтов должна производиться как для законченного здания или сооружения, так и для незавершенного строительством.

Если при этом окажется, что условие (1) настоящего приложения (п. 3.108 Рук.) не обеспечивается, то в проекте должны быть предусмотрены соответствующие мероприятия по устранению или ослаблению действия сил морозного пучения, например: предохранение грунтов от увлажнения и промерзания; применение для засыпки пазух фундаментов непучинистых или менее пучинистых грунтов; нанесение на фундаменты специальных обмазок и покрытий, уменьшающих или исключающих смерзание грунта с боковой поверхностью фундаментов; увеличение глубины заложения фундаментов; придание опорным подушкам и плитам фундаментов роли анкеров с их расположением ниже глубины промерзания и др.

3.326 (8 прил. 6). В случае применения фундаментов анкерного типа сила Q^н, удерживающая фундамент от выпучивания, должна определяться по формуле:

(3.110) (3 прил. 6)

где γ’_ср
- среднее нормативное значение объемного веса грунта, расположенного выше поверхности анкерной части фундамента;

F_a
- площадь верхней поверхности анкерной части фундамента, воспринимающей вес вышерасположенного грунта;

h_a
- заглубление анкерной части фундамента от ее верхней поверхности до отметки планировки.

3.327. Определение сил морозного пучения грунтов, действующих по боковой поверхности фундаментов, имеет большое значение для проектирования оснований и фундаментов малоэтажных и вообще малонагруженных зданий, особенно в случае применения монолитных неступенчатых фундаментов.

Хотя в пп. 3.323 и 3.324 (5 и 6 прил. 6) и даны величины удельных сил пучения и сопротивления сдвигу грунта по боковым поверхностям фундамента, но совершенно очевидно, что при соответствующем обосновании они могут и должны были бы быть уточнены и дифференцированы в зависимости, например, от характера поверхности фундамента, ее наклона, применения смазок и пр.

Пример расчета устойчивости фундамента по условиям морозного пучения грунтов по его боковой поверхности.

Грунт — суглинок, расположенный в зоне сезонного промерзания. Грунт по своей консистенции I_L = 0,35 и положению уровня грунтовых вод относительно расчетной глубины промерзания — среднепучинистый. Расчетная глубина промерзания Н = 2 м. Фундамент столбчатый без ступеней. Сечение 0,8×0,8 м. Глубина заложения 3,5 м. Периметр фундамента U = 4×0,8 = 3,2 м.

Боковая поверхность фундамента в пределах расчетной глубины промерзания F = HU = 2×3,2 = 6,4 м². Боковая поверхность ниже глубины промерзания F_т = (h-Н)U = (3,5-2)3,2 = 4,8 м².

Нагрузка на основание, передаваемая фундаментом по его подошве, N^н = 30 тс. Коэффициенты перегрузки n = 1,1 и n₁ = 0,9. Сопротивление сдвигу глинистого грунта f^н_т = 2 тс/м². Касательная сила пучения глинистого грунта на 1 м² поверхности τ^н = 8 тс/м². Проверка устойчивости положения фундамента выполняется по формуле (3.108) (1 прил. 6).

Удерживающие силы равны

Касательные силы пучения равны

Касательные силы морозного пучения намного превышают удерживающие силы и фундамент будет выпучиваться.

Для того чтобы уменьшить касательные силы морозного пучения, следует уменьшить сечение фундамента в 2 раза, оставив прежним размер его подошвы.

Можно также снизить касательные силы морозного пучения применением термохимических мероприятий, как, например, утепленной отмостки, снижающей расчетную глубину промерзания грунта, или покрытием боковой поверхности фундамента полимерной пленкой, что снижает τ^н в 2 раза.

3.328 (9 прил. 6). Для восприятия фундаментами удерживающей силы Q^н, определяемой по формулам (3.109) или (3.110) [(2) или (3) прил. 6], необходимо обеспечивать надлежащую прочность на растяжение поперечного сечения тела фундаментов и соответствующих соединений отдельных элементов сборных фундаментов.

3.329 (10 прил. 6). При возможности промерзания пучинистых грунтов под подошвой фундамента должна производиться проверка устойчивости фундамента при совместном действии касательных и нормальных сил морозного пучения.

Проверка выполняется по формуле:

(3.111) (4 прил. 6)

где n₁,N^н,n,τ^н,F- обозначения те же, что и в формуле (1) настоящего приложения [(3.108) Рук.];

F_ф
- площадь подошвы фундамента, см²;

h₁
- глубина промерзания грунта, считая от подошвы фундамента, см²;

σ^н
- нормативное значение нормального давления морозного пучения, создаваемое 1 см³ промороженного слоя грунта, определяемое опытным путем, кгс/см³; при отсутствии опытных данных для средне- и слабопучинистых грунтов значение σ^н допускается принимать равным 0,06 кгс/см³, а для сильнопучинистых — 0,1 кгс/см³.

3.330. Для выбора защитных технологических мероприятий, препятствующих аварийному промерзанию грунта под подошвой фундамента, следует на основе формулы (3.111) (4 прил. 6) определять толщину слоя грунта, предельную по условию сохранения устойчивости фундамента.

Проверка должна выполняться для периода строительства до засыпки и уплотнения пазух грунтом и после засыпки, но до отопления здания, а также на период эксплуатации здания.

3.331. Проверочный расчет сил нормального к плоскости подошвы фундамента давления промерзшего слоя пучинистого грунта имеет большое значение при проектировании оснований и фундаментов всех видов зданий и сооружений вне зависимости от их этажности, возводимых на пучинистых грунтах.

Эти расчеты позволят уточнить назначаемые мероприятия по недопущению промерзания грунта под подошвой фундаментов, приводящего к деформациям проектируемых зданий и сооружений.

Рекомендуется в этих расчетах учитывать, что чем слабее глинистый грунт (больше его консистенция), тем при одной и той же нагрузке на фундамент необходимы большие размеры фундамента. Одновременно при более высокой консистенции нормальные силы морозного пучения существенно выше (как удельные на единицу площади подошвы фундамента, так в особенности и суммарные на весь фундамент).

Примеры, проверки устойчивости фундаментов при аварийном промерзании под ними пучинистого грунта

Пример 1. Здание проектируется на ленточных фундаментах глубиной заложения 1,6 м.

В пределах нормативной глубины промерзания залегает суглинок, характеризуемый следующими величинами: e = 0,75 и I_L = 0,20.

Уровень грунтовых вод расположен на глубине 3,5 м. Нормативная глубина промерзания H^н = 1,8 м и расчетная H = 1,5 м.

По консистенции грунта и положению уровня грунтовых вод грунт является слабопучинистым и значения касательных и нормальных сил пучения допускается [по пп. 3.323 и 3.329 (5 и 10 прил. 6)] принимать равными τ^н = 0,6 кгс/см² = 6 тс/м² и σ^н = 0,06 кгс/см³ = 60 тс/м³.

Ширина фундамента назначена исходя из величины нагрузки на него и значения условного расчетного давления на грунты основания R₀по п. 3.204 (п. 1 прил. 4).

По табл. 3.24 (2 прил. 4) для суглинка, имеющего е = 0,75 и I_L = 0,20, значение R₀ = 24 тс/м².

Нагрузка по подошве фундамента N^н = 23 тс/м. При ширине фундамента b = 1 м давление по его подошве будет равно р = 23 тс/м², что удовлетворяет условию p<R₀.

Площадь подошвы 1 м фундамента F_ф = l м², боковой поверхности (с двух сторон) в пределах расчетной глубины промерзания F = 2×1×1,5 = 3 м².

Проверка на период строительства, когда нагрузка составляет N^н₁ = 12 тс/м и пазухи фундаментов не засыпаны грунтом, показывает, что нарушение устойчивости фундаментов (их подъем) произойдет при промерзании слоя грунта толщиной, превышающей предельную — h₁:

Проверка на период, когда основные работы закончены и выполнена засыпка и уплотнение пазух грунтом, а также на период эксплуатации, показывает, что предельное значение толщины промерзшего слоя грунта под подошвой фундамента в этих случаях составит:

Предельные значения h₁ во всех случаях невелики и потому необходимы надежные теплозащитные мероприятия.

Пример 2. Здание проектируется на столбчатых фундаментах с глубиной заложения h = 1 м.

В пределах нормативной глубины промерзания залегают глины со значениями характеристик: е = 0,5 и I_L = 0,1. В верхнем слое толщиной 0,2 м грунты непучинистые.

Условное расчетное давление R₀ на основание, сложенное этими грунтами, при фундаментах с глубиной заложения h = 1 м, будет по пп. 3.204 и 3.206 (1 и 2 прил. 4) равно

R₀ = 0,75·58 = 43 тс/м².

Уровень грунтовых вод расположен на глубине 3 м. Нормативная глубина промерзания H^н = 1,2 м, расчетная H = 0,8 м. По консистенции и положению уровня грунтовых вод грунт является слабопучинистым, вследствие чего τ^н = 6 тс/м² и σ^н = 60 тс/м³.

Фундаменты запроектированы без уступов, квадратными в плане, размером 0,8×0,8 м, площадью F_ф = 0,64 м².

Нагрузка по подошве фундамента N^н = 27 тс, что при выбранном размере фундамента удовлетворяет условию p<R₀.

Поскольку при планировке верхний слой толщиной 0,2 м выполнен из практически непучинистого грунта, то при аварийном промерзании основания ниже расчетной глубины промерзания Н = 0,8 м не менее чем на 0,2 м касательные силы пучения будут действовать по боковой поверхности фундамента площадью F = 4×0,8(1-0,2) = 2,55 м².

Предельная по условию устойчивости толщина под подошвой фундамента слоя промерзшего грунта h₁ в процессе строительства, когдаN^н₁ = 10 тс и фундаменты не засыпаны грунтом:

Та же величина h₁ для конца строительства при полной нагрузке и аварийном промерзании грунта под подошвой фундамента:

В обоих случаях во избежание аварийного промерзания грунта более чем на 20 см нужны надежные теплозащитные мероприятия.