26 Проектирование фундаментов на естественном основании. Инженерно-геологические изыскания. Расчет фундаментов по несущей способности и деформации.

Фундаменты на естественном основании. Такие фундаменты бывают сплошные плитные (из железобетонных плит) и перекрестные (в виде решетки из железобетона, стали, а иногда из дерева). Площадь контакта фундамента с грунтом должна соответствовать нагрузке с учетом предполагаемого отпора грунта. Максимальный отпор (реактивное давление) грунта определяется экспериментально на основе принципов механики грунтов, и в государственных строительных нормах даются таблицы допускаемого отпора грунта для тех или иных географических зон. Фундамент должен быть правильно рассчитан на сопротивление изгибу и сдвигу. Подошва фундамента должна быть ниже максимальной глубины промерзания грунта, чтобы не сказывалось вспучивание грунта при замерзании. Безопасная глубина зависит от годовых колебаний температуры, от типа и диапазона вариаций местных грунтов и от нормального уровня подземных вод. Кроме того, иногда наблюдаются сезонные изменения объема глинистых грунтов, чего нельзя допускать под фундаментом, заложенным на естественном основании.

В очень холодных регионах, например арктических, грунт промерзает на большую глубину и оттаивает лишь в верхнем слое толщиной 0,5–3 м. В таких условиях «вечной мерзлоты» необходим особый подход к строительству фундамента на естественном основании. Обычно предусматривается теплоизоляция между верхней частью сооружения и подошвой его фундамента, предотвращающая таяние подпочвы с последующим вспучиванием грунтового основания при повторном замерзании.

Основания и их свойства играют большую роль в сохранности зданий, их деформативности, а также в экономичности строительства. Поэтому проектированию и строительству предшествуют инженерно-геологические и гидрогеологические изыскания. Они заключаются в выявлении типов грунтов оснований, их прочностных и деформативных характеристик уровня грунтовых вод, скорости их движения и химического состава для установления степени агрессивности по отношению к материалу фундаментов. Геодезическая съемка местности и инженерно-геологические исследования позволяют определить рельеф площадки, строение и напластования грунтов основания показать их на чертежах вертикальных разрезов территории по характерным направлениям (рис. 1.). Материалом для построения геологических разрезов служат результаты испытания проб грунта, отбираемых из шурфов и буровых скважин. По результатам изысканий устанавливается возможность использования основания в его естественном виде (естественное основание) или необходимость его предварительного усиления (искусственное основание).

Основания и фундаменты зданий и сооружений должны быть надежными и экономичными. Чрезмерное повышение надежности фундаментов ведет к увеличению их размеров, а следовательно, и расхода материалов, т. е. вызывает ухудшение экономичности, выражающейся в основном в удорожании и увеличении объемов строительных работ. В свою очередь, стремление к повышению экономичности может привести к снижению надежности. Поэтому целью проектирования является выбор такого оптимального решения, которое позволило бы запроектировать надежную и экономичную конструкцию фундамента и его основания. Найти такое решение позволяет принятая в СССР методика расчета по предельным состояниям.

В основу положено предположение о том, чтобы усилия, напряжения деформации и перемещения, возникающие в основаниях и элементах конструкций фундаментов зданий и сооружений, были близки к установленным предельным значениям, но не превышали

Чем ближе искомое расчетное значение к предельному, тем экономичнее будет проектируемый фундамент, а ограничение расчетных усилий и деформаций предельными значениями позволяет обеспечить необходимую надежность принятого конструктивного решения. Предельные состояния подразделяют на две группы.

Первая группа — по несущей способности. При расчете по этой группе предельных состояний должны быть исключены все возможные формы разрушений, которые могут произойти в результате потери прочности или устойчивости под действием силовых факторов, обусловливаемых в основном действующими нагрузками или в результате неблагоприятных (агрессивных) воздействий внешней среды.

Вторая группа — по деформациям. При расчетах по данной группе предельных состояний должны быть исключены факторы, затрудняющие нормальную эксплуатацию зданий и сооружений, вызываемых чрезмерными осадками, прогибами, выгибами, кренами, углами поворота, развитием трещин, а также амплитудами колебаний при динамических воздействиях

Передача сооружениями нагрузки на грунты оснований через систему фундаментов может привести к развитию неравномерных осадок, что вызовет появление дополнительных усилий в конструкциях зданий. Эти усилия могут привести к образованию трещин, а в некоторых случаях — к авариям сооружений. Поэтому расчет оснований выполняют прежде всего по деформациям, т. е. по второй группе предельных состояний.

При слабых грунтах может произойти и потеря устойчивости оснований фундаментов, поэтому в таких случаях необходимо производить дополнительный расчет основания и по первой группе предельных состояний.

Целью расчета оснований и фундаментов по предельным состояниям должно быть назначение таких размеров и выбор такого конструктивного решения, чтобы в основаниях и элементах фунда­ментов не возникало ни одного предельного состояния.

27 виды деформаций основания и мероприятия по их недопущению и уменьшению. Устройство искусственных оснований. Конструктивные мероприятия уменьшающие влияние деформативности оснований. Осадочные швы. Гидроизоляция фундаментов.

Деформации оснований могут вызываться различными причинами и подразделяются на следующие виды.

Осадки - деформации, происходящие в результате уплотнения грунтов основания под воздействием внешних нагрузок, включая действующие вблизи сооружения, и собственного веса грунтов основания.

Осадки развиваются без коренного изменения структуры грунтов.

Просадки - деформации, происходящие в результате уплотнения и коренного изменения структуры грунтов основания под воздействием как внешних нагрузок и собственного веса грунтов, так и проявления дополнительных факторов (замачивания просадочных грунтов, оттаивания ледовых прослоек в мерзлых грунтах и т. п.)

Подъем или усадка поверхности основания - деформации, связанные с изменением объема некоторых видов грунтов при физических и химических воздействиях (морозное пучение при промерзании, набухание при увеличении влажности и т. д., усадка при уменьшении влажности грунтов и т. п.).

Оседание - деформации земной поверхности, вызываемые подземными работами (разработка полезных ископаемых, некачественное возведение подземных сооружений и т. п.), а также резким изменением гидрогеологических условий территории (понижение уровня подземных вод, карстово-суффозионные процессы и т. п.).

Горизонтальные перемещения - деформации, вызываемые действием горизонтальных нагрузок и составляющих общей нагрузки (подпорные стенки, фундаменты распорных систем и т. п.), а также связанные с большими вертикальными перемещениями поверхности при оседаниях, просадках и т. п.

Из-за неоднородности грунтов в пределах пятна застройки и различных нагрузок на отдельные фундаменты сооружения обычно возникают неравномерные деформации основания, вызывающие также неравномерные деформации в конструкциях сооружения. Различают следующие характерные формы совместных деформаций сооружения и основания.

Абсолютная осадка основания отдельного фундамента, определяемая как среднее вертикальное перемещение подошвы фундамента. Зная величины s для различных фундаментов, можно оценить неравномерность деформаций основания и конструкции сооружения.

Крен фундамента (сооружения) г, определяемый как отношение разности осадок крайних точек подошвы фундамента к расстоянию между ними. Кроме учета дополнительных усилий в конструкциях при возникновении крена отдельных фундаментов знание этой величины важно для оценки возможного нарушения технологического процесса в проектируемом сооружении.

В состав мероприятий, устраняющих или уменьшающих деформации оснований, сложенных просадочными грунтами, входят:

- глубинное уплотнение с предварительным замачиванием нижних слоев грунта (в том числе глубинными взрывами), регулируемое замачивание, а также другие, проверенные на практике, методы;

- прорезка толщи свайными фундаментами из забивных, набивных, буронабивных и других типов свай, а также столбами или лентами из грунта, закрепленного химическим, термическим или другими способами;

- уплотнение грунта тяжелыми трамбовками или устройством грунтовой подушки, препятствующей замачиванию грунтов сверху;

- водозащитные мероприятия, снижающие вероятность замачивания грунтов и величину просадки, а также уменьшающие вероятность подтоппения территорий и подъема уровня подземных вод.

Уплотнение просадочных грунтов предварительным замачиванием (в том числе глубинными взрывами) следует применять при просадочных толщах глубиной свыше 8 м для устранения просадочности грунтов в нижних слоях толщи, снижения их деформативности и повышения несущей способности.

Здания и сооружения на основаниях, уплотненных предварительным замачиванием (в том числе глубинными взрывами), следует проектировать с учетом неравномерных осадок грунтов от внешней нагрузки и длительности времени их консолида­ции.

Регулируемое замачивание в грунтовых условиях І и II типов по просадочности с просадкой грунтов от собственного веса до 1,5м следует применять для устранения просадочных свойств грунтов замачиванием их в процессе возведения зданий (сооружений) и уплотнением под воздействием внешней нагрузки и собственного веса грунта.

В грунтовых условиях І и II типов по просадочности с просадкой грунтов от собственного веса до 0,5 м следует применять одностадийное замачивание в процессе возведения объекта. При просадке грунтов от собственного веса свыше 0,5 м замачи­вание следует осуществлять в две стадии: первая - до возведения здания (сооружения), вторая - в процессе его возведения.

При одностадийном замачивании здания (сооружения) следует проектировать с учетом неравномерных осадок замоченного грунта под действием внешней нагрузки, а в грунтовых условиях II типа по просадочности - на деформационное воздействие неравномерного оседания грунтов от собственного веса.

При двухстадийном замачивании здания (сооружения) следует проектировать с учетом неравномерных осадок от внешней нагрузки, исходя из условия завершения оседания грунтов от собственного веса в период предварительной стадии замачивания.

Свайные фундаменты на просадочных грунтах следует проектировать с полной прорезкой всех слоев просадочных и других видов грунтов, прочностные характеристики которых снижаются при замачивании. Опирание концов свай следует, как правило, предусматривать в малосжимаемые грунты (скальные, крупнообломочные с песчаным заполнителем, плотные и средней плотности песчаные и пылевато-глинистые).

Частичное устранение просадочных свойств грунтов в верхней части просадочной толщи рекомендуется применять в сочетании с водозащитными и конструктивными мероприятиями.

Уплотнение тяжелыми трамбовками грунтов со степенью влажности sr £ 0,7 и плотностью рd£ 0,55 т/м3 производится в целях:

- устранения просадочных свойств грунтов в пределах всей или части деформируемой зоны основания;

- создания в основании здания (сооружения) сплошного маловодопроницаемого экрана, препятствующего интенсивному замачиванию нижележащих просадочных грунтов;

- повышения плотности, прочностных характеристик и уменьшения сжимаемости грунтов при последующем их водонасыщении. Уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками допускается на расстоянии от существующих зданий и сооружений, достаточном для устранения влияния на них динамических воздействий.

Устройством грунтовых подушек следует предусматривать замену просадочного грунта в пределах всей или части деформируемой зоны местным глинистым грунтом, послойно уплотненным укаткой или трамбовкой.

Грунтовые подушки следует устраивать:

- при степени влажности просадочных грунтов в основании фундаментов sr > 0,7 для создания в основании фундаментов уплотненного слоя большей толщины, чем при уплотнении тяжелыми трамбовками;

- при расположении строительной площадки на расстоянии, менее допустимого по условиям безопасности окружающей застройки при применении тяжелых трамбовок;

- при отсутствии механизмов для использования тяжелых трамбовок.

Допускается устройство двухслойного основания, включающего уплотнение грунта тяжелыми трамбовками, и грунтовой подушки.

Водозащитные мероприятия при строительстве зданий (сооружений) на просадочных грунтах следует предусматривать для предотвращения или снижения вероятности замачивания основания зданий (сооружений) и развития неравномерных оса­док и просадок грунтов, контроля за состоянием водонесущих сетей и для возможности их осмотра и ремонта.

В состав водозащитных мероприятий должны входить:

- компоновка генерального плана;

- вертикальная планировка застраиваемой территории;

- устройство под зданиями маловодопроницаемых экранов из уплотненного грунта (при строительстве с комплексом мероприятий);

- качественное уплотнение обратной засыпки пазух котлованов и траншей;

- устройство отмосток по наружному периметру зданий (сооружений);

- прокладка наружных и внутренних водонесущих коммуникаций с учетом предотвращения возможности утечки из них воды в грунт и обеспечения контроля коммуникаций, их ремонта, сброса аварийных вод.

Отмостки, устраиваемые по периметру зданий и сооружений, следует предусматривать, как правило, совмещенными с тротуарами и проездами. Ширина отмосток должна быть не менее 2 м на площадках с грунтовыми условиями II типа по просадочности и не менее 1,5 м-на площадках с грунтовыми условиями І типа, а также на площадках с грунтовыми условиями II типа по просадочности при устранении просадочных свойств грунтов или прорезке их сваями.

Вертикальный шов (зазор), разделяющий стены здания на всю высоту, называют деформационным. Его назначение - предотвратить появление трещин в стенах и других конструкциях от неравномерной осадки здания или перепада температур.

Осадочными швами разделяют здание по длине на части, чтобы предупредить разрушение конструкций в случае возможной неравномерной осадки отдельных частей. Осадочные швы проходят от карниза здания доподошвы фундамента, расположение швов указывают в проекте.

Швы в стенах (рис. 65, а, б) выполняют в виде шпунта толщиной, как правило, 1/2. кирпича или в четверть с прокладкой в зазор кладки пакета из просмоленной пакли, обернутой двумя слоями толя, а в фундаментах (рис. 65, в)- без шпунта. Над верхним обрезом фундамента под шпунтом стены оставляют зазор (карман) на высоту кладки в 1...2 кирпича, чтобы при осадке шпунт не упирался в кладку фундамента. Иначе в этом месте кладка может разрушиться. Осадочные швы в фундаментах и стенах законопачивают просмоленной паклей.

Чтобы поверхностные грунтовые воды не проникли в подвал через осадочный шов, с наружной стороны его устраивают глиняный замок или применяют другие меры, предусмотренные проектом.

Чтобы в стены дома не проникала грунтовая влага, устраивается гидроизоляция фундамента. В каменных и кирпичных фундаментах домов гидроизоляцию кладут обычно на высоте 15...25 см от уровня земли. Если полы кладут на балки, то гидроизоляция фундамента дома должна быть на 5...15 см ниже их.

В доме, имеющем подвал, гидроизоляцию фундамента кладут на двух уровнях:

в фундаменте на уровне пола подвала или ниже его на 13 см;

в цоколе на 15...25 см выше поверхности отмостки.

Поверхности стен подвала и его пол изолируют при этом так. Если уровень грунтовой воды ниже пола подвала, то с наружной стороны стены, соприкасающиеся с грунтом, покрывают двумя слоями горячего битума. На пол кладут слой жирной глины (25 см), уплотняют, покрывают слоем бетона (5 см), выравнивают, выдерживают в течение 1...2 недель, покрывают мастикой и наклеивают двухслойный рулонный ковер из рубероида. Сверху кладут такой же слой бетона, который выравнивают, покрывают цементным раствором и железнят.

Когда уровень грунтовых вод выше уровня пола подвала, то надо создать хорошую изоляцию стен и пола. Кроме того, вокруг стен в местах примыкания пола подвала следует сделать эластичный замок из пакли, смоченной в расплавленной битумной мастике. Особенно необходим такой замок в подвалах с глинистым грунтом, где наблюдается неравномерная осадка.

Изоляцию стен с наружной стороны поднимают выше уровня грунтовой воды на 50 см.

При высоком уровне грунтовых вод подполье изолируют сначала слоем глины (25 см), на нее кладут бетон, на бетон — гидроизоляцию и покрывают цементным раствором.

28 Мероприятия, уменьшающие деформации основания и их влияние на здания и сооружения. Мероприятия, предохраняющие грунты основания от ухудшения их строительных свойств. Преобразование строительных свойств грунтов основания (устройство искусственных оснований).

Для выполнения требований расчета оснований по предельным состояниям, кроме возможности и целесообразности изменения размеров фундаментов в плане или глубины их заложения (включая прорезку грунтов) с неудовлетворительными свойствами), введения дополнительных связей, ограничивающих перемещения фундаментов, применения других типов фундаментов, изменения нагрузок на основание и т.д., следует рассмотреть необходимость применения:

а) мероприятий по предохранению грунтов основания от ухудшения их свойств (п. 2.68);

б) мероприятий, направленных на преобразование строительных свойств грунтов (п. 2.69).

в) конструктивных мероприятий, уменьшающих чувствительность сооружений к деформациям (п. 2.70)

При проектировании следует также учитывать возможность регулирования усилий в конструкциях сооружения, возникающих при его взаимодействии с основанием (п. 2.71).

Выбор одного или комплекса мероприятий должен производиться с учетом требований пп. 1.1 и 2.1.

2.68. К мероприятиям, предохраняющим грунты основания от ухудшения их строительных свойств, относятся:

а) водозащитные мероприятия на площадках, сложенных грунтами, чувствительными к изменению влажности (соответствующая компоновка генеральных планов, вертикальная планировка территории, обеспечивающая сток поверхностных вод, устройство дренажей, противофильтрационных завес и экранов, прокладка водопроводов в специальных каналах или размещение их на безопасных расстояниях от сооружений, контроль за возможными утечками воды и т.п.);

б) защита грунтов основания от химически активных жидкостей, способных привести к просадкам, набуханию, активизации карстовосуффозионных явлений, повышению агрессивности подземных вод и т.п.;

в) ограничение источников внешних воздействий (например, вибраций);

г) предохранительные мероприятия, осуществляемые в процессе строительства сооружений (сохранение природной структуры и влажности грунтов, соблюдение технологии устройства оснований, фундаментов, подземных и надземных конструкций, не допускающей изменения принятой в проекте схемы и скорости передачи нагрузки на основание, в особенности при наличии в основании медленно консолидирующихся грунтов и т.п.)

2.69. Преобразование строительных свойств грунтов основания (устройство искусственных оснований) достигается:

а) уплотнением грунтов (трамбованием тяжелыми трамбовками, устройством грунтовых свай, вытрамбовыванием котлованов под фундаменты, предварительным замачиванием грунтов, использованием энергии взрыва, глубинным гидровиброуплотнением, вибрационными машинами, катками и т.п.)

б) полной или частичной заменой в основании (в плане и по глубине) грунтов с неудовлетворительными свойствами подушками из песка, гравия, щебня и т.п.;

в) устройством насыпей (отсыпкой или гидронамывом);

г) закреплением грунтов (химическим, электрохимическим, буросмесительным, термическим и другими способами);

д) введением в грунт специальных добавок (например, засолением грунта или пропиткой его нефтепродуктами для ликвидации пучинистых свойств);

е) армированием грунта (введением специальных пленок, сеток и т.п.)

2.70. Конструктивные мероприятия, уменьшающие чувствительность сооружений к деформациям основания, включают:

а) рациональную компоновку сооружения в плане и по высоте;

б) повышение прочности и пространственной жесткости сооружений, достигаемое усилением конструкций, в особенности конструкций фундаментно-подвальной части, в соответствии с результатами расчета сооружения во взаимодействии с основанием (введение дополнительных связей в каркасных конструкциях, устройство железобетонных или армокаменных поясов, разрезка сооружений на отсеки и т.п.);

в) увеличение податливости сооружений (если это позволяют технологические требования) за счет применения гибких или разрезных конструкций;

г) устройство приспособлений для выравнивания конструкций сооружения и рихтовки технологического оборудования.

Примечание. Габариты приближения к строительным конструкциям подвижного технологического оборудования (мостовых кранов, лифтов и т.п.) должны обеспечивать их нормальную эксплуатацию с учетом возможных деформаций основания.

2.71. К мероприятиям, позволяющим уменьшить усилия в конструкциях сооружения при взаимодействии его с основанием, относятся:

- размещение сооружения на площади застройки с учетом ее инженерно-геологического строения и возможных источников вредных влияний (линз слабых грунтов, старых горных выработок, карстовых полостей, внешних водоводов и т.п.);

- применение соответствующих конструкций фундаментов (например, фундаментов с малой боковой поверхностью на подрабатываемых территориях и при наличии в основании пучинистых грунтов);

- засыпка пазух и устройство подушек под фундаментами из материалов, обладающим малых сцеплением и трением, применение специальных антифрикционных покрытий, отрывка временных компенсационных траншей для уменьшения усилий от горизонтальных деформаций оснований (например, в районах горных выработок);

- регулирование сроков замоноличивания стыков сборных и сборно-монолитных конструкций;

- обоснованная скорость и последовательность возведения отдельных частей сооружения.

- устройство разделительных стенок между существующими и возводимым сооружением.

2.72. В случаях, когда строительными мерами защиты и инженерной подготовки грунтов основания не исключаются деформации и крены сооружений, превышающие допустимые значения, основания следует проектировать с учетом мероприятий, снижающих осадки и крены, в том числе с применением выравнивания сооружения.

При проектировании сооружений с учетом возможности их выравнивания с помощью домкратов следует выполнять расчет конструкций на воздействие неравномерных деформаций основания в стадии выравнивания. Расчетом на выравнивание необходимо проверить несущую способность и устойчивость конструкций фундаментов подвальной части зданий, воспринимающих сосредоточенную нагрузку от выравнивающих устройств, и глубину заложения фундаментов, включая проверку на устойчивость основания при передаче на него давления от выравнивающих устройств.

2.73. Регулирование напряженно-деформированного состояния грунта основания с целью уменьшения его деформируемости или повышения несущей способности может быть выполнено созданием принудительной деформации грунтов или приложением постоянно действующего давления в грунте следующими способами:

- нагнетанием в ограниченный объем грунта твердеющего раствора (компенсационное нагнетание);

- деформацией путем устройства в грунте пневматических конструкций, способных расширяться в грунте;

- обжатием грунта атмосферным давлением (вакуумирование) и др.