Естественные и искусственные основания гражданских зданий

Общие понятия об основании

Всякое здание опирается на один из верхних слоев земли — грунт или скальную породу. Грунтами называют рыхлые горные породы, прочность сцепления между минеральными частицами которых во много раз меньше прочности самих частиц. Скальными породами называют плотные горные породы, состоящие из частиц, крепко связанных между собой, и залегающие в виде сплошного массива или трещиноватого слоя. Грунтом, в широком смысле этого слова, можно называть и скальные породы, используемые в качестве оснований.

Основанием называется массив грунта, расположенный под фундаментом и воспринимающий нагрузку от здания.

Основания зданий бывают двух видов — естественные и искусственные.

Естественным основанием называют грунт, залегающий под фундаментом и имеющий в своем природном состоянии достаточную несущую способность для обеспечения устойчивости здания или допустимых по величине и равномерности его осадок.

Искусственным основанием называют грунт, не обладающий в природном состоянии достаточной несущей способностью па принятой глубине заложения фундамента и который требуется поэтому искусственно упрочнять.

Основание й фундамент всегда находятся в непосредственном взаимодействия. Своеобразие фундаментов как структурных частей здания заключается в том, что конструкции их всегда зависят от характера основания. В связи с этим в гл. 13, посвященной изучению фундаментов, приводятся также необходимые сведения об основаниях.

Нагрузка, передаваемая фундаментом, вызывает в основании напряженное состояние я деформирует его. Примерная форма напряженного объема грунта основания изображена на рис. 59. Как видно из рисунка, глубина и ширина напряженной зоны значительно превосходят ширину подошвы фундамента. Ниже подошвы фундамента область распространения напряжений расширяется до известного предела, а их абсолютная величина уменьшается. Например, если под подошвой фундамента по его оси величину напряжения принять за 1,0, то на глубине, равной ширине фундамента b (см. рис. 59), напряжение уменьшается до 0,55, на глубине 2Ь — до 0,31 и т. д. Эти цифры относятся к ленточным фундаментам в виде непрерывных стен. Для фундаментов квадратной формы в плане (столбчатых) напряжение по мере углубления по оси фундамента уменьшается быстрее. Так, па глубине b оно будет 0,34, а на глубине 2b — всего 0,11. Это объясняется тем, что давление под ленточным фундаментом по мере углубления передается только на две стороны, точнее на меньшей площади, тогда как под квадратным оно распространяется во все четыре стороны, т. е. распределяется на большей площади.

Деформации основания, происходящие главным образом вследствие уплотнения (сжатия) грунтов, вызывают осадку здания. Осадка может быть равномерной и неравномерней. В первом случае все элементы здания "опускаются одинаково на всей его площади и в конструкциях здания не возникает дополнительных напряжений.

При неравномерной осадке грунта отдельные элементы здания опускаются на различную относительно друг друга глубину. В этом случае в конструкциях здания могут возникнуть дополнительные напряжения. В зависимости от величины неравномерных осадок дополнительные напряжения могут быть безопасно восприняты зданием или же могут вызвать трещины, разрывы и даже разрушение здания.

Таким образом, главное влияние на сохранность здания и предохранение его от появления недопустимых для нормальной эксплуатации конструкций трещин и повреждений оказывает не столько величина осадки здания, сколько степень ее неравномерности.

Естественные основании в природном состоянии должны удовлетворять следующим основным требованиям: иметь достаточную несущую способность; обладать небольшой и равномерной сжимаемостью, обеспечивающей равномерную осадку здания в допустимых для него пределах; быть неподвижными; не подвергаться выщелачиванию или размыванию грунтовыми водами; не выпучиваться при промерзании (или залегать ниже уровня промерзания).

При проектировании зданий на естественных основаниях необходимо учитывать, что нагрузка от здания может разрушить основание при его недостаточной несущей способности. В других случаях основание под действием нагрузки может и не разрушиться, но осадка здания окажется столь неравномерной, что здание даст трещины, а иногда получит и более значительные деформации. Поэтому несущую способность основания и характер его деформации под нагрузкой нужно исследовать отдельно.

Большое влияние на структуру, физическое состояние и механические свойства грунтов оказывают грунтовые воды, которые в большинстве случаев снижают несущую способность основания.

Иногда уровень грунтовой воды может меняться как в результате изменения сезонного режима, так и вследствие различных технических мероприятий (планировочные работы, устройство дренажа, ливневая канализация и др.). Необходимо иметь в виду, что повышение или понижение уровня грунтовой воды, не учтенное при проектировании, может вызвать дополнительную и неравномерную осадку здания.

Когда грунт содержит легко растворимые в воде вещества (например, гипс), он может выщелачиваться, что влечет за собой увеличение пористости основания и возрастание опасных деформаций. Для борьбы с этим явлением искусственно, понижают уровень грунтовых вод. В тех случаях, когда грунтовые воды движутся со скоростями, способными вымывать частицы мелкозернистых грунтов, необходимо принимать меры к защите основания, например устраивать шпунтовое ограждение или дренаж.

Влажность некоторых грунтов может явиться причиной увеличения их объема при промерзании. Грунт, способный удерживать в своих порах воду, при промерзании вспучивается. Процесс пучения вызывается тем, что объем льда больше объема воды, при этом через капилляры происходит просасывание воды из нижних слоев грунта в зону промерзания (миграция влаги).

Силы пучения грунтов могут быть весьма велики и приводить к деформации зданий. Эти деформации происходят из-за неравномерного пучения грунта в пределах площади застройки и неравномерной осадки в отдельных участках здания при разновременном и разнохарактерном оттаивании вспучивающегося грунта.

Способность грунтов вспучиваться при промерзании зависит не только от их влажности, но и от зернового состава, а также от уровня грунтовых вод. Величина пучения грунта тем больше, чем меньше размер его зерен или чем ближе к зоне промерзания расположен уровень грунтовых вод.

Неподвижность грунта основания зависит от устойчивости всего напластования. Известны примеры, когда при наклонном расположении пластов грунта происходило скольжение одного пласта по другому. Такое скольжение (оползень) может увлечь за собой здание и привести его к разрушению. Поскольку борьба с оползнями представляет значительные трудности, не рекомендуется размещать здания па грунтах, подверженных этим деформациям.

Виды и свойства грунтов

Виды и свойства грунтов, используемых в качестве оснований. Ниже рассмотрены основные виды грунтов и их свойства.

Скальные грунты залегают в виде сплошного массива (граниты, кварциты, песчаники и т. п.) Они водоустойчивы, несжимаемы и при отсутствии трещин и пустот являются наиболее прочными и надежными основаниями. Менее прочны скальные грунты, залегающие в виде трещиноватых слоев, образующих подобие сухой кладки.

Крупнообломочные грунты — несвязанные обломки скальных пород с преобладанием обломков размерами более 2 мм (щебень, галька, дресва, гравий). Эти грунты являются хорошим основанием, если подстилаются плотным грунтом и не подвержены размыванию.

Песчаные грунты состоят из частиц крупностью от 0.1 до 2 мм. В зависимости от крупности частиц различают пески гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые.

Песок, залегающий слоем равномерной плотности и достаточной мощности, если он не подвергается размывающему действию текучей воды, представляет собой хорошее основание для сооружений. Чем крупнее и чище песок, тем большую нагрузку оп может воспринять.

Сжимаемость плотного песка невелика, но скорость уплотнения под нагрузкой значительна. Ввиду этого осадка сооружений, построенных на песке, быстро прекращается. Пески гравелистые, крупные и средней крупности имеют значительную водонепроницаемость в поэтому не вспучиваются при замерзании.

Частицы грунта крупностью от 0,05 до 0,005 мм называют пылеватыми. Если в песке пылеватых частиц содержится от 15 до 50%, то такие пески относят к категории пылеватых. Когда в грунте пылеватых частиц больше, чем песчаных, грунт называют пылеватым. Наличие в грунте пылеватых частиц, как правило, ухудшает его строительные качества и снижает его несущую способность.

Глинистые грунты состоят из очень мелких частиц (крупностью меньше 0,005 мм), имеющих в основном чешуйчатую форму. В отличие от песчаных грунтов глины имеют тонкие капилляры и большую удельную поверхность соприкасания между частицами. Капиллярные силы всасывают воду, которая заполняет все поры глины и образует тонкие водоколлоидные пленки, обволакивающие частицы скелета грунта. Вследствие этого создается взаимное притяжение, обеспечивающее связность глинистого грунта. Так как поры глины в большинстве случаев заполнены водой, то при промерзании глины происходит пучение — увеличивается ее объем.

Глинистые грунты сжимаются больше, чем иесчаиы», однако скорость уплотнения под нагрузкой у глин значительно меньшая, чем у песка. Поэтому осадка сооружений, осповая-ных на глине, продолжается длительное время.

Несущая способность глинистого оспования в значительной мере зависит от его влажности. Сухая глина может выдерживать довольно большую нагрузку, тогда как несущая способность глины в пластичном и особенно в разжиженном состоянии сильно снижается.

Глинистые грунты с песчаными прослойками (ленточные глины) легко разжижаются и поэтому несущая способность их очень мала.

Суглинки и супеси представляют собой смесь песка, глины и пылеватых частиц. Суглинки содержат от 10 до 30% глинистых частиц и от 3 до 10% супеси. По своим свойствам эти грунты занимают промежуточное положение между глиной и песком.

Некоторые разновидности супесей и других мелкозернистых грунтов, разжиженные водой, становятся настолько подвижными, что текут как жидкость, поэтому они получили название плывунов. Плывуны вследствие своей подвижности и незначительной несущей способности малопригодны для использования в качестве оснований.

Лёсс относится к группе глинистых грунтов представляет собой однородную тонкозернистую и весьма пористую породу желтовато-палевого цвета, в которой преобладают пылеватые частицы. Характерная особенность лёссов — наличие в них крупных видимых глазом пор (макропор), имеющих вид ячеек и вертикальных каналов, по которым вода может проникать в толщу грунта.

Вследствие того что связи между частицами лёсса пе обладают водостойкостью, при увлажнении они легко размокают и дают большие и неравномерные быстронарастающие осадки, носящие просадочный характер. Поэтому лёссовые (макропористые) грунты относят к просадочным. При строительстве на лёссовых основаниях их необходимо предохранять от замачивания.

Грунты с органическими примесями (растительный грунт, ил, торф, болотный торф) неоднородны по своему составу, рыхлы; они обладают значительной и неравномерной сжимаемостью и поэтому в качестве естественных оснований непригодны.

Насыпные грунты, образованные искусственно при засыпке оврагов, прудов, мест свалки и т. п., также обладают свойством неравномерной сжимаемости и в большинстве случаев их нельзя использовать в качестве естественных оснований. Исключение составляют рефулированные насыпные грунты, которые являются хорошим основанием. (Рефулированием называют перекачку землесосом-рефулером разжиженного грунта по трубопроводу.)

Несущая способность грунтов. Исследование зависимости между деформацией грунта и действующим на него давлением от веса сооружения дало возможность установить, что под действием внешней нагрузки грунт (но Н. М. Герсеванову) последовательно испытывает три стадии деформации.

Сначала возникает стадия уплотнения (рис. 60, а), когда зависимость между давлением ?^у и деформацией грунта s^y можно считать линейной. На графике этой стадии соответствует участок ОА_у.

Если нагрузка на грунт превысит величину ?_у, то линейная зависимость между давлением и деформацией нарушится и темп нарастания деформации будет значительно опережать темп нарастания нагрузок. В грунте наступает вторая стадия сдвигов или стадия пластических деформаций, которая на графике выразится кривой А_у А_с. Пластические деформации появляются сначала под углами загруженной площади, а потом захватывают все большие зоны.

Когда давление на грунт превысит величину с с, наступит третья стадия выпирания грунта, которая возникает внезапно в имеет явно катастрофический характер.

По СНиП II-B.1—62 предельная нагрузка, которую можно передать на грунт основания, соответствует началу стадии сдвигов (иначе называемой стадией пластических деформаций). В этом случае по краям подошвы фундамента образуются зоны пластических деформаций грунта основания глубиной Z=b/4, где b — ширина подошвы фундамента (рис. 60, б). При этих условиях считают, что грунт еще можно рассматривать как линейно деформируемую систему. Величина давления, вызываемого этой предельной нагрузкой, называется нормативным давлением на грунт R^н.

Строительными нормами и правилами установлены следующие нормативные давления на основания при глубине заложения от 1 до 2,5 м в ширине подошвы фундамента от 0,6 до 1,5 м:

• глинистые грунты — от 1 до 6 кГ/см², а суглинки — от 1 до 3 кГ/см² в зависимости от влажности и пористости;
• пески — от 1 до 4,5 кГ/см², учитывая крупность частиц, влажность и плотность;
• супеси — от 2 до 3 к Г/см² в зависимости от влажности и плотности;
• крупнообломочные грунты — от 3 до 6 кГ/см² в зависимости от крупности частиц (см. СНиП II—Б. 1—62).

Несущую способность скальных грунтов допускается принимать равной 1/2 от временного сопротивлении образцов скального грунта на одноосное сжатие в водонасыщеином состоянии (независимо от размеров и глубины заложения фундаментов).

Приведенные выше величины нормативных давлений на грунты оснований используют лишь для предварительного расчета размеров фундаментов, а также для назначения окончательных размеров фундаментов зданий III и IV классов, расположенных на основании. состоящем из горизонтальных слоев грунтов.

Исследование грунтов основания

Для выбора основания до начала строительства на месте будущей постройки необходимо исследовать грунты с целью выяснить характер расположения пластов грунта, их мощность (толщину слоя), положение уровня грунтовых вод. физические и механические свойства грунтов.

Исследование или разведку грунтов производят путем бурения или шурфования.

Бурение является наиболее дешевым и быстрым способом разведки грунтов. При помощи бурового инструмента бурят в грунтах скважины диаметром от 100 до 325 мм, которые крепят обсадными трубами, чтобы предохранить скважины от засыпки вышележащими рыхлыми грунтами. Образцы грунтов отбирают при каждом изменении пласта, но не реже чем через каждые 0,5 м.

Другим способом разведки грунтов является шурфование. Шурфом называют колодец прямоугольного сечения, вырытый с целью разведки грунта. Шурфование дает возможность непосредственно осмотреть грунт в естественных условиях залегания и получить для лабораторных исследовании значительные по размеру образцы грунта с ненарушенной структурой.

Данные о результатах бурения и шурфования заносят в специальные журналы, по которым составляют чертежи разрезов или так называемые колонки скважин шурфов (рис. 61, а).

Чтобы иметь представление о строении грунта в пределах между скважинами или шурфами, колонки на чертеже соединяют в геологический профиль, или, иначе говоря, делают вертикальный разрез грунтового массива (рис. 61, б). Для этого в масштабе вычерчивают колонки скважин или шурфов, расположенных по одной оси, учитывая отметки уровня земли, и соединяют прямыми линиями границы однородных грунтов. Несколько геологических профилей дают пространственное представление о геологическом строении участка и являются основным исходным материалом для определения несущей способности основания.

Понятие о расчете оснований. Расчет оснований согласно СНиПу производят по методу предельных состояний. Под предельным состоянием основания понимают такое напряженное состояние грунтов основания, при котором самое незначительное увеличение нагрузке вызывает нарушение прочности я устойчивости возведенного на них здания.

Расчет оснований по предельным состояниям ведут по деформациям и по несущей способности. Расчет по предельным деформациям является основным и обязательным при проектировании естественных оснований всех видов зданий.

Задачей расчета оснований по деформациям является ограничение деформаций над-фундаментных конструкций (происходящих в результате осадок грунтов) такими пределами, которые гарантируют эти конструкции от трещин и повреждений, а также изменений проектных уровней.

Величина осадки и ее неравномерность зависят не только от степени сжимаемости грунта и величины нагрузки, но и от формы и размеров опорной площади фундаментов, а также от жесткости всего здания. Поэтому при расчете оснований по деформациям величину осадок определяют из условий рассмотрения совместной работы здания и его основания.

Сущность расчета оснований по деформациям состоит в том, что величина деформации основания S, определяемая расчетом по указаниям, приведенным в СНиПе, не должна превышать величины предельной деформации S_пр.

Предельные величины осадок установлены нормами и приведены в табл. 10 и 11 СНиП II-Б. 1—62. Например, предельные величины средних осадок оснований здании не должны превышать следующих величин, мм:

• Для крупнопанельных и крупноблочных бескаркасных зданий — 80
• Для зданий с неармированными крупноблочными и кирпичными стенами — 80—100
• Для зданий с крупноблочными и кирпичными стенами, армированными железобетонными или армокпрпичными поясами — 150
• Для зданий с полным каркасом — 100

Расчет оснований по их несущей способности является обязательным только для зданий и сооружений, испытывающих действие горизонтальных нагрузок. Сущность расчета состоит в том, чтобы заданные расчетные нагрузки на основание N в наиболее невыгодной комбинации не превышали несущую способность основания Ф для данного направления нагрузки.

Искусственные основания

Такие основания яри возведении зданий или сооружений на слабых грунтах устраивают путем уплотнения или упрочнения грунта, а также заменой слабого грунта оснований более прочным.

Уплотнять слабый грунт можно с поверхности и на определенную его глубину. С поверхности грунт уплотняют трамбованием пневматическими трамбовками (иногда с втрамбованием щебня или гравия) или трамбовочными плитами весом от 2 до 4 г, которые имеют вид усеченного конуса с диаметром основания не менее 1 м (из железобетона, стали или чугуна).

Трамбовки поднимают краном на высоту 4—5 м и сбрасывают на поверхность уплотняемого грунта. После определенного числа ударов (5—10 ударов) величина понижения от каждого удара становится постоянной. В таком случае величина понижения от одного удара называется отказом.

Величину отказа принимают для глинистых грунтов 1—2 см, для песчаных — 0,5—1 см. При использовании трамбовок весом 2—4 г величина понижения трамбуемой поверхности может достигать 40—60 см.

Для уплотнения больших площадей можно укатывать грунт катками весом 10—15 т.

Песчаные и пылеватые грунты хорошо уплотняются вибрацией поверхностными вибраторами, причем этот способ эффективнее трамбования, так как грунт уплотняется быстрее. Но для глинистых грунтов вибрирование мало эффективно.

Глубинное уплотнение слабого грунта можно осуществить песчаными или грунтовыми сваями. Для изготовления таких свай погружают в грунт вибропогружателем инвентарные стальные трубы диаметром не менее 400—500 мм, которые заканчиваются внизу остроконечным раскрывающимся стальным башмаком. Погруженные на необходимую глубину трубы заполняют песком (или перемятым грунтом для закрепления лёсса) и затем извлекают. Под воздействием вибрирования трубы в период извлечения песок или грунт уплотняется и хорошо заполняет скважины.

Упрочнять слабый грунт основания можно цементацией и силикатизацией. Цементацию грунта осуществляют путем нагнетания в него по предварительно забитым трубам жидкого цементного раствора или цементного молока. По мере нагнетания раствора трубы извлекают из грунта. После затвердевания раствора в порах грунта его частицы связываются в камневидный массив. Возможна цементация лишь крупных и средних песков.

Силикатизацию грунта для закрепления песков, пылеватых песков (плывунов) и лёссовых грунтов производят таким же способом, что и цементацию. Для закрепления песков в грунт поочередно нагнетают растворы жидкого стекла и хлористого кальция, для закрепления пылеватых песков — нагнетают раствор жидкого стекла, смешанного с раствором фосфорной кислоты, а для закрепления лёссов — только раствор жидкого стекла. В результате нагнетания указанных растворов грунт каменеет.

В тех случаях, когда уплотнить или закрепить грунт затруднительно, слой слабого грунта заменяют более прочным. Замененный слой грунта называют подушкой. При небольшой этажности зданий применяют песчаные подушки из крупного или средней крупности песка.

При устройстве песчаной подушки слабый грунт вынимают на некоторую глубину и заменяют песком, уплотняемым вибрацией о увлажнением. Толщина песчаной подушки должна быть такой, чтобы давление под ней от здания, передаваемое на слабый грунт, не превышало его несущей способности.