Естественные основания. К естественных основаниям предъявляются следующие требования:
— грунт основания должен обладать небольшой и равномерной сжимаемостью, обеспечивающей допустимую и равномерную осадку здания, и иметь достаточную несущую способность;
— грунт основания либо не должен подвергаться выщелачиванию грунтовыми водами и пучению (увеличению в объеме) при промерзании, либо подошва фундаментов на пучинистых грунтах должна располагаться ниже уровня промерзания грунта;
— грунт основания должен обладать неподвижностью и иметь достаточную мощность слоя.
Несущая способность грунта основания определяется нагрузкой, при которой величина осадки грунта и ее равномерность не превосходят пределов, установленных для данного вида зданий в Строительных нормах и правилах. Величина этой нагрузки, называемая нормативным давлением на грунты основания, выраженная в кг на 1 см2, устанавливается расчетом или определяется по нормативам, приведенным в строительных нормах и правилах.
На механические свойства грунтов, их физическое состояние и структуру существенное влияние имеют грунтовые воды, которые в большинстве случаев уменьшают величину несущей способности грунта. Грунтовые воды также отрицательно влияют на грунты, которые содержат легко растворимые ‘вещества (например, гипс), так как в этом случае может произойти выщелачивание из грунта этих веществ и, как результат, увеличение пористости грунта и возрастание осадки при тех же нагрузках.
Наличие влаги в грунте, если он способен удерживать в своих порах воду, приводит к увеличению объема грунта при замерзании и к осадкам грунта под нагрузкой при оттаивании. Увеличение объема такого грунта при замерзании связано с увеличением объема воды при превращении ее в лед. Пучение при замерзании и осадка при оттаивании грунта могут вызвать неравномерную осадку здания я появление в нем трещин.
Используемые в качестве естественных оснований грунты подразделяются на скальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые.
Скальные грунты — это изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткой сзязью между зернами (спаянные и сцементированные). Они залегают в виде сплошного массива или трещиноватого слоя, образующего подобие сухой кладки.
Крупнообломочными называются несцементированные грунты, содержащие более 50% по весу обломков кристаллических или осадочных пород с размерами частиц более 2 мм. К крупнообломочным относятся щебенистый, галечниковый, дресвяный и гравийный грунты.
Щебенистый грунт состоит из неокатанных обломков горных пород, в котором вес частиц крупнее 10мм составляет более 50%. При преобладании в таком грунте окатанных частиц его называют галечниковым. Отдельные камни размером более 200 мм называют валунами.
Дресвяный грунт состоит из острореберных обломков выветрившихся пород, в котором вес частиц крупнее 2 мм составляет более 50%. При преобладании в таких грунтах окатанных частиц его называют гравийным.
Песчаные грунты состоят из отдельных частиц (зерен) и в зависимости от зернового состава подразделяются на: песок гравелистый, в котором вес частиц крупнее 2 мм составляет более 25%; песок крупный, в котором вес частиц крупнее 0,5 мм составляет более 50%; песок средней крупности, в котором вес частиц крупнее 0,25 мм составляет более 50%; песок мелкий, в котором вес частиц крупнее 0,1 мм составляет более 75%; песок пылеватый, в котором вес частиц крупнее 0,1 мм составляет менее 75%.
Гравелистые, крупные и средней крупности пески имеют значительную водопроницаемость и поэтому не пучатся при замерзании.
Глинистые грунты состоят из глины, песка и пылева- тых частиц (размером от 0,05 до 0,005 мм) и подразделяются на глины, суглинки и супеси. Кроме того, глинистые грунты, образовавшиеся как структурный осадок в воде при наличии микробиологических процессов и обладающие в природном сложении определенной влажностью, называются илами.
Глины состоят из очень мелких частиц — крупностью менее 0,005 мм, имеющих в большинстве чешуйчатую форму, количество которых более 30%- В отличие от песчаных грунтов глины имеют тонкие капилляры. По этим капиллярам глина всасывает воду, которая заполняет все поры и образует тонкие водоколло- идные пленки, обволакивающие частицы скелета. Благодаря этому создается взаимное притяжение частиц, обусловливающее связность глинистого грунта.
Несущая способность глинистого грунта в большой степени зависит от влажности. Несущая способность сухих глин довольно высокая. При повышенной влажности глин она уменьшается.
При содержании в глинистых грунтах глины от 10 до 30% грунт называют суглинком, а при содержании глины от 3 до 10% — супесью. По своим свойствам суглинки и супеси занимают промежуточное положение между песком и глиной.
Супеси и мелкозернистые пески, будучи разжижены водой, становятся настолько подвижными, что текут, как жидкость, и носят название плывунов. Вследствие подвижности плывунов и незначительной их несущей способности возведение на них зданий создает значительные затруднения.
Среди глинистых имеются грунты (лёссы), которые при замачивании их водой обладают просадочнымп свойствами или набухают. Использование таких грунтов в качестве основании требует применения специальных мер.
Помимо перечисленных видов грунтов, встречаются также грунты с органическими примесями (растительный грунт, торф, болотный грунт и др.) и насыпные грунты. Грунты с органическими примесями в качестве естественных оснований не применяют, так как они неоднородны по своему составу, рыхлы, обладают значительной и неравномерной сжимаемостью.
Насыпные грунты, являющиеся искусственными насыпями, образованными при засыпке оврагов, мест свалок, прудов, побережий рек не только грунтом, но и мусором, содержащим большое количество органических примесей, отходами производства, шлаком и т. п., также неоднородны по составу и по сжимаемости, а плотность их во многом зависит от возраста насыпи. Поэтому возможность использования их в качестве оснований зданий решается в каждом отдельном случае в зависимости от характера трунтов насыпи и от назначения здания.
В результате атмосферных осадков и при наличии различных водоемов (рек, каналов, озер, прудов и др.) в грунтах могут появиться грунтовые воды, если под водопроницаемыми слоями грунта имеется водонепроницаемый слой (водоупор), которым обычно бывают глины.
Наивысшего уровня грунтовые воды обычно достигают в дождливое время года и во время таяния снега, а наименьшего — в засушливые периоды.
В грунтовых водах могут содержаться различные вещества и газы, разрушительно действующие на материал фундаментов и других подземных частей зданий. Грунтовая вода, содержащая эти вредные вещества, называется агрессивной. Наибольшей агрессивностью обладают воды, просачивающиеся через старые свалки, слой торфа и другие органические вещества, а также сточные воды некоторых промышленных предприятий. Степень агрессивности грунтовых воды определяется химическим анализом в лаборатории.
Для проектирования фундаментов зданий необходимо иметь исчерпывающие сведения по напластованию слоев грунта на данном участке и о режиме грунтовых вод. Это осуществляется исследованием грунтов в натуре на площадке будущего строительства. Результаты исследования заносят в отчет, в котором подробно описывают геологическое строение грунтов и физико- химические их свойства, характеристики грунтовых вод и данные об уровне их стояния, возможные колебания этого уровня в период строительства и эксплуатации зданий и степень агрессивности грунтовых вод по данным лабораторного анализа.
Образцы грунтов берут из скважин или шурфов, расположенных на участке предполагаемого строительства, и по ним составляют разрезы (колонки) и геологические профили грунтового массива на участке по характерным направлениям. Несколько геологических профилей дают пространственное представление о геологическом строении участка, предназначенного под строительство, и являются основным исходным материалом для проектирования фундаментов здания.
Если грунты в состоянии своего природного залегания не имеют достаточной несущей способности, чтобы воспринять давление от фундамента, их укрепляют либо проектируют фундаменты глубокого заложения.
Искусственные основания. Для устройства искусственного основания грунт укрепляют следующим способами: заменой слабого грунта более прочным, поверхностным и глубинным уплотнением грунтов, закреплением грунтов различными способами.
Замену слабого грунта более прочным выполняют устройством под подошвами фундаментов гравийных или песчаных подушек.
Поверхностное уплотнение грунтов выполняют различными способами и механизмами в зависимости от необходимой глубины уплотнения, вида их, состояния грунта по влажности. Глинистые грунты на глубину до 50 см уплотняют катками. Несвязные грунты закрепляют на глубину до 1,5 м виброплитами. Поверхностное уплотнение различных грунтов на глубину до 2,5 м осуществляют тяжелыми трамбовочными плитами, подвешиваемыми к стрелам кранов, экскаваторов, трактороь, копров.
Глубинное у плотнение грунтов выполняют в слабых грунтах — устройством грунтовых или песчаных свай, а в песчаных — вибрацией.
Закрепление слабых грунтов выполняют нагнетанием в них различных веществ. Способы нагнетания и состав нагнетаемых веществ зависят от вида и состояния грунтов.
—
Прочность и устойчивость зданий и сооружений в значительной мере зависят от правильного выбора оснований и конструктивного решения фундаментов. Для проектирования оснований и фундаментов необходимо знать геологическое строение и несущую способность слоя грунта, принятого в качестве основания, глубину его промерзания и режим грунтовых вод.
Основанием называют толщу грунта или скальных пород, расположенных под фундаментом и воспринимающих нагрузку от здания или сооружения.
Если основанием служат грунты в условиях естественного залегания, то их называют естественными основаниями, а грунты, предварительно уплотненные и укрепленные теми или иными способами, — искусственно улучшенными основаниями сооружений.
Правильный выбор прочного, надежного и экономичного основания возможен в результате всестороннего изучения геологических и гидрогеологических условий места строительства. С этой целью на строительной площадке проводят инженерно-геологические изыскания — определяют общее геологическое и гидрогеологическое строение района строительства и детальное Расположение и мощность пластов грунта, их физические и механические свойства, а также положение уровня грунтовых вод на участках, предназначенных для отдельных зданий и сооружений.
Исследования должны обосновать выбор основания будущего здания или сооружения и определить величину расчетного давления.
В качестве естественных и искусственно улучшенных оснований могут служить различные виды грунтов: пески, супеси, суглинки, глины, лессы, мергель, гравий, щебень, скальные породы.
Естественные основания. Все грунты, используемые в качестве естественных оснований, должны иметь необходимую прочность, небольшую и равномерную сжимаемость (деформативность), хорошо сопротивляться действию грунтовых вод, не подвергаться пучению при промерзании, иметь достаточную мощность слоя и обладать неподвижностью.
Грунты оснований под действием нагрузки от здания или сооружения деформируются. Деформацию основания, не сопровождающуюся коренным изменением сложения грунта, называют осадкой, а значительное оседание отдельных пластов грунта с выпиранием грунта из-под подошвы фундамента — просадкой.
Надежным основанием для сооружений являются скальные породы и крупнообломочные грунты, обладающие высокой несущей способностью и малой деформативностью.
Песчаные грунты ввиду малой сжимаемости песка и большой скорости его уплотнения под нагрузкой служат также надежным естественным основанием. При этом чем крупнее зерна и плотнее песчаный грунт, тем меньше осадка под нагрузкой и выше несущая способность.
Глинистые грунты являются связными породами. Они обладают пластичностью, большей пористостью и сжимаемостью, уменьшаются в объеме при высыхании и увеличиваются при увлажнении. Глина сильно поглощает воду и при насыщении становится водонепроницаемой; при замерзании она пучится. Сухая глина обладает большой прочностью и является хорошим основанием; несущая способность пластической и разжиженной глины резко снижается. Суглинки и супеси, относящиеся к глинистым грунтам, представляют собой смесь глины, песка и пылеватых частиц.
Значительное распространение имеют лессовые грунты, которые относятся к группе пылеватых суглинков. Лессовые грунты, обладающие в природном состоянии видимыми порами (макропорами), размеры которых значительно превосходят размеры частиц, составляющих скелет грунта, называют макропористыми грунтами. Эти грунты, содержащие растворимые в воде известь, гипс и другие соли, при увлажнении теряют связность, быстро намокают и при этом уплотняются, образуя просадки. Такие грунты называют проса-дочными. При строительстве на таких грунтах предусматривают специальные меры по их укреплению И защите от увлажнения.
Искусственные основания устраивают тогда, когда грунт обладает слабой несущей способностью и не может быть использован в качестве естественного основания. Такие основания создают путем уплотнения, закрепления, замены слабого грунта грунтом с большей несущей способностью или путем передачи нагрузки на заглубленные слои грунта при помощи специальных инженерных устройств (сваи, опускные колодцы и др.). Искусственное улучшение свойств слабого грунта достигается путем поверхностного или глубинного уплотнения. Поверхностное уплотнение грунта осуществляют катками (на глубину 15—20 см), пневматическими трамбовками или трамбовочными плитами (на глубину до 1,5—2 м) и другими механическими способами.
Глубинное уплотнение слабых грунтов выполняют при помощи грунтовых или песчаных свай, образуемых путем пробивания скважин и заполнения их песком или грунтовым материалом с уплотнением.
Простейшим видом грунтовых искусственных оснований являются песчаные подушки. Слой слабого грунта под будущим фундаментом удаляют и вместо него насыпают песок (с тщательным уплотнением). Подушки можно устраивать также из материала большой несущей способности: гравия, щебня или смеси грунта с гравием или щебнем.
К более сложным способам искусственного улучшения свойств грунтов относят закрепление их различными вяжущими материалами, нагнетаемыми под давлением через инъекторы: цементным молоком (цементация), раствором жидкого стекла и отвердителя (силикатизация), горячим битумом или холодной битумной мастикой (битумизация). Вяжущие материалы после отвердения связывают частицы грунта в прочный камневидный монолит.
Цементации подвергают грунты, представляющие собой крупные и среднезернистые пески; силикатизацию грунта применяют при упрочнении пылеватых песков и лессовых грунтов. Битумизация обломочных грунтов способствует их упрочнению и предотвращению фильтрации грунтовых вод. Лессовидные просадочные грунты и пористые суглинки (неводонасыщенные) можно закреплять термическим способом — обжигом на глубину до 15 м раскаленными газами через пробуренные в грунте скважины диаметром 15—20 см.
Упрочнение слабых грунтов при создании искусственных оснований способствует увеличению их несущей способности до заданной величины.
Несущая способность основания определяется нагрузкой, при которой осадка (сжимаемость) грунта по величине и равномерности соответствует нормам. Нагрузка — расчетное давление на основание — выражается в МПа. Осадка основания зависит не только от нагрузки и степени сжимаемости, но и от формы и размеров подошвы фундамента.
