Естественные основания - это грунты или скальные породы, находящиеся в условиях их природного залегания и восприни­мающие нагрузку от фундаментов.

Выбор строительной площадки под здание или со­оружение определяется в первую очередь геологическими и ги­дрогеологическими условиями основания. При этом устанавли­вают характер напластований грунтов и толщину каждого слоя, их физико-механические свойства, уровень грунтовых вод, воз­можность размывов и т. п.

Грунты исследуют, при помощи бурения или шурфования. Бурение дает возможность взять пробу грунта с различной глубины. Образцы отбираются не реже чем через каждые 0,5 м по высоте. Это наиболее быстрый и простой способ геологичес­кой разведки основания.

Шурфование позволяет непосредственно осмотреть грунт в естественных условиях и испытать его на образцах значитель­ных размеров с ненарушенной структурой. Шурфы представ­ляют собой колодцы прямоугольного сечения, вырытые на раз­личную глубину.

Для получения геологического профиля определен­ного грунтового участка границы однородных, слоев, которые обнаружены в шурфах или скважинах, расположенных по одной оси, соединяют между собой. Несколько таких вертикальных разрезов дают представление о геологическом строении данного грунтового массива.

Расчет основания заключается в ограничении дефор­маций конструкций зданий, определяемых величиной нагрузки, которую называют расчетным сопротивлением осно­вания. Эта нагрузка должна соответствовать такой осадке ос­нования, при которой деформации, возникающие в конструкциях здания или сооружения, не превышают допустимых для их нор­мальной эксплуатации.

Осадка основания под фундаментом зависит от соотношения между нагрузкой на грунт и его деформацией, а, также от рас­пределения давления в грунте. Подошва фундамента, передавая нагрузку на основание, вызывает в нем соответствующие напря­жения. С возрастанием глубины эти напряжения распространя­ются на все большие объемы грунта, но величина их уменьшается. Если рассматривать горизонтальную плоскость, то на­пряжения в ней распределяются неравномерно. Их наибольшая величина наблюдается в центре приложения нагрузки с посте­пенным уменьшением к периферии (рис. 53).

Распределение давления зависит от формы фундамента в плане. Под ленточным фундаментом давление в грунте с глуби­ной будет уменьшаться значительно меньше, чем под квадрат­ным, где оно распространяется сразу равномерно в четыре сто­роны, а не в две, как под ленточным фундаментом. Например, на глубине 1 м величина среднего давления в грунте под ленточным фундаментом будет равна 0,55 р, а под квадратным фундаментом 0,34 р на глубине 2 и 3 м соответственно 0,31 р и 0,21 р, 0,11 р и 0,06 р (р - величина среднего давления в грунте под подошвой фундамента).

Расчетные сопротивления грунта при глубине заложения фундамента от 1,5 до 2 м и ширине фундамента 0,6-1 м уста­новлены следующие:
глинистые грунты - от 1 до 6 кг/см 2 (в зависимости от по­ристости и влажности);

Рис. 53 График давления в грунтах

Пески - от 1 до 4,5 кг/см 2 (в зависимости от крупности частиц, влажности и плотности);
- крупнообломочные грунты - от 3 до 6 кг/см 2 ;
- скальные породы – 1/6 от предела прочности скалы на сжа­тие (независимо от размеров и глубины заложения фунда­мента).

При глубине заложения фундамента менее 1,5 м расчетное сопротивление уменьшают, а при более 2 м - повышают, так как грунты с увеличением глубины заложения под влиянием веса вышележащих слоев становятся более плотными.

Кроме того, при ширине фундамента менее 0,6 м расчетное сопротивление грунта должно быть уменьшено, а при более 1 м - повышено.

Фундаменты на естественном основании различаются: по конструкции - на отдельные, ленточные, сплошные и массивные; по материалу - на бетонные и железобетонные (сборные и монолитные), кирпичные, бутовые, из пиленого камня и др.; по назначению - на фундаменты под здания (жилые, промышленные и т. п.), сооружения, оборудование.

Отдельные фундаменты представляют собой столбы с развитой опорной частью, передающие на грунт сосредоточенные нагрузки от колонн, углов зданий, опор рам, балок, ферм, арок и других элементов. Для установки колонн в верхней части отдельных фундаментов устраиваются углубления - «стаканы». Такие фундаменты принято называть отдельными стаканного типа.

Ленточные фундаменты применяются для передачи нагрузки от протяженных элементов строительных конструкций - стен зданий, сооружений, опорных рам оборудования и т.п. По расположению в плане они различаются на перекрещивающиеся и параллельные.

Сплошные фундаменты сооружаются под всей площадью здания. По конструктивным решениям они разделяются на плитные и коробчатые. Плитные фундаменты в свою очередь могут быть ребристыми (кессонными) и гладкими.

Массивные фундаменты устраиваются под башни, мачты, колонны, тяжело нагруженные опоры искусственных сооружений (мостовые опоры), под машины, станки и другое оборудование.

Классификация фундаментов на естественном основании по конструкции приведена на рис. IV-1, а по применяемым материалам - в табл. IV-1.

Рис. IV-1.

Таблица IV-1

Классификация фундаментов на естественном основании по применяемым материалам

Прочность и устойчивость любого сооружения обеспечивается, прежде всего, прочностью и устойчивостью фундамента, который должен быть заложен на надежном основании.

Основанием называется толща естественных напластований грунтов, непосредственно воспринимающая нагрузку и взаимодействующая с фундаментом возводимого сооружения.

Основания называют естественными , если грунты под подошвой фундамента остаются в естественном состоянии. В случае недостаточной прочности грунтов принимают меры по искусственному их упрочнению. Такие основания называют искусственными . Естественным основанием

могут служить самые разнообразные грунты, слагающие верхнюю часть земной коры. Естественные грунты, используемые в качестве естественных оснований, подразделяют на четыре вида: скальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые.

Несущая способность глинистого грунта в большой степени зависит от влажности. Несущая способность сухих глин довольно высокая и такие грунты могут служить хорошим основанием, при увеличении влажности их несущая способность значительно падает.

Супеси и мелкозернистые пески при разжижении водой становятся я настолько подвижными, что текут, как жидкость, и называются плывунами.

Возведение зданий на таких грунтах связано со значительными трудностями.

К глинистым грунтам относятся также лёссы , которые при замачивании водой обладают просадочными свойствами или набухают. Использование так их грунтов в качестве оснований требует применения специальных мер.

Помимо перечисленных видов встречаются также грунты с органическими примесями (растительный грунт, торф, болотистый грунт и др.), многолетнемерзлые 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 также неоднородны по составу и сжимаемости и их использование в качестве оснований требует особых обоснований.

Упрочнение грунтов путем поверхностного ил и глубинного их уплот- нения осуществляется трамбованием пневматическими трамбовками с втрамбовыванием щебня ил и гравия. Уплотнение трамбовочными плитам и массой 1 т и более, которые сбрасывают с высоты 3–4 м, доходит до глубины 2–2,5 м. Для уплотнения больших площадей применяют укатку грунта тяжелыми катками.

Песчаные и пылеватые грунты хорошо уплотняют вибрированием специальным и поверхностными вибраторам и, такое уплотнение осуществляется значительно быстрее, чем при трамбовании.

Глубинное уплотнение грунта осуществляют применением песчаных или грунтовых свай. Предварительно вибропогружателем вводят в грунт инвентарные стальные трубы диаметром 400–500 мм с остроконечным раскрывающимся стальным башмаком на конце. Погруженные на необходимую глубину трубы заполняют песком и затем извлекают с вибрированием. При таком извлечении песок уплотняется и хорошо заполняет скважину.

Закрепление слабого грунта основания (его упрочнение) достигается также применением тампонажа (цементации, силикатизации и битумизации).

Фундаментом (рис. 1.1) называется подземная часть сооружения, возводимая на естественных ил и искусственных основаниях и служащая для передач и нагрузок от сооружений на основания. Конструктивная форма фундамента позволяет обеспечить бол ее равномерное распределение давления от сооружения на грунт.

Верхняя граница между фундаментом и наземной частью сооружения так же, как и границы между отдельным и уступами фундамента, называется обрезом фундамента . Нижняя плоскость фундамента, опирающаяся на грунт, называется подошвой фундамента. Расстояние от уровня земли около законченного здания (отметка планировки) до подошвы называется глубиной заложения фундамента.

План лекции.

1.1. Работа грунта под нагрузкой.

1.2. Естественные основания. Виды грунтов и их важнейшие характеристики.

1.3. Искусственные основания.

2. Фундаменты малоэтажных жилых зданий.

2.1. Классификация фундаментов

2.2. Конструктивные решения фундаментов.

1. Основания фундаментов и их характеристика.

1.1. Работа грунта под нагрузкой

Грунты – это геологические породы, залегающие в верхних слоях земной коры, состоящие из твердых частиц (зерен) разной крупности (скелета грунта) и пор, заполненных или воздухом полностью, либо частично водой. А грунт, который находится под фундаментом в напряженном состоянии от действия нагрузки от здания, называется основанием фундамента .

Основание фундамента представляет собой массив грунта, расположенный под фундаментом и непосредственно воспринимающий через него нагрузки от здания или сооружения.

Эти нагрузки вызывают в основании напряженное состояние (рис.7.1), которое при достижении определенного уровня может привести к деформациям , как самого основания, так и фундамента.

Вследствие давления, предаваемого зданием на основание, грунты под фундаментом испытывают значительные сжимающие усилия. Под действием этих усилий грунты равномерно уплотняются. Такие равномерные деформации называют осадкой грунта, которая вызывает осадку фундаментов.

Неравномерные деформации грунта, происходящие в результате уплотнения и, как правило, коренного изменения структуры грунта под воздействием внешних нагрузок, собственной массы грунта и других факторов (замачивания просадочного грунта, подтаивание линз льда в грунте и т.д.), называют просадками. Они могут вызвать повороты фундаментов и т.п. вплоть до разрушения. Просадки оснований недопустимы.

Для того чтобы осадки не оказали опасных воздействий на работающие под нагрузкой конструкции, а также не повлияли на условия эксплуатации зданий, установлены предельные величины деформаций основания и напряжений в грунте , возникающих под подошвой фундаментов.

1.2. Естественные основания. Виды грунтов и их важнейшие характеристики.

Если грунты неподвижны и способны воспринимать нагрузку без предварительного усиления, то они могут быть использованы в качестве естественных оснований .

Качество естественного основания зависит от многих факторов, однако в первую очередь, его определяет вид грунта, его влажность, уровень грунтовых вод и условия промерзания.

Естественные основания – это грунты, которые в природном состоянии имеют достаточную несущую способность, небольшую и равномерную сжимаемость, не превышающую допустимые значения .

По своему строению грунты состоят из частиц, удерживаемых от взаимного смещения различным образом: жесткой связью между зернами (спаянностью) – в сцементированных грунтах, постоянно сохраняющих свою структуру; силой трения – в сыпучих грунтах; силой сцепления – в связных грунтах.

Грунты, используемые в качестве оснований зданий и сооружений, подразделяют в зависимости от геологических характеристик на скальные и нескальные .

К скальным грунтам относятся: изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткими связями между зернами (спаянные и сцементированные), залегающие в виде сплошного или трещиноватого массива. К таким породам относят, например, граниты, базальты, песчаники, известняки. Под нагрузкой от зданий и сооружений указанные породы не сжимаются и являются наиболее прочным естественным основанием.

К нескальным грунтам относятся крупнообломочные , песчаные и глинистые .

Крупнообломочные грунты по своей структуре (зерновому составу) подразделяются на щебенистые (вес частиц крупнее 10 мм составляет более половины) и дресвяные (вес частиц размером 2 – 10 мм составляет более 50 %). Если в этих грунтах преобладают окатанные частицы, они соответственно получают названия галечникового или гравийного.

Пески в сухом состоянии представляют в своей массе сыпучий грунт. По крупности частиц различают пески: гравелистые , крупные , средней крупности, мелкие и пылеватые с соответствующим соотношением частиц от 2 мм до 0,05 мм в % от веса воздушно-сухого грунта. Песчаные грунты из гравелистых, крупных и средней крупности песков мало сжимаемы и при достаточной мощности слоя служат прочным и устойчивым основанием зданий и сооружений.

Глинистые грунты относятся к категории связных грунтов с размерами плоских частиц, не превышающими 0,005 мм, и толщиной менее 0,001 мм. Глинистые частицы скреплены силами внутреннего сцепления, величина которого зависит от влажности грунта. Глинистые грунты пластичны, т.е. способны при увлажнении переходить из твердого состояния в пластическое и даже в текучее. Глинистые грунты, находящиеся в твердом сухом состоянии, служат прочным основанием.

К глинистым грунтам относятся также суглинки и супеси, содержащие наряду с глинистыми частицами примеси песка. Содержание этих примесей характеризуется так называемым «числом пластичности». Для супесей это значение составляет от 0,01 до 0,07, для суглинков – от 0,07 до 0,17.

При наличии в глинистых грунтах до 15 – 25 % (по весу частиц крупнее 2 мм к указанным наименованиям должны прибавляться термины «с галькой» («со щебнем») или «с гравием» («с дресвой»); если же содержание частиц составляет 25 – 50 % (по весу) прибавляются термины «галечниковый» («щебенистый»), «гравелистый» («дресвянистый»). При наличии частиц крупнее 2 мм более 50 % (по весу) грунты относятся к крупнообломочным.

В зависимости от степени влажности или степени заполнения пор водой различают грунты маловлажные , влажные и насыщенные водой. Крупнообломочные и песчаные грунты с крупностью частиц выше средней при увлажнении мало сжимаемы и могут служить устойчивым основанием. Увлажнение мелкозернистых песчаных грунтов снижает их несущую способность тем больше, чем меньше размеры частиц грунта. Особенно сильно влияет на снижение несущей способности грунта увлажнение пылеватых песков с глинистыми и илистыми примесями. Такие грунты в водонасыщенном состоянии становятся текучими и называются плывунами . Возведение зданий на таких грунтах требует дополнительных мер по усилению основания.

В строительной практике встречаются насыпные грунты – искусственные насыпи, образованные в результате культурной и производственной деятельности человека. Такие грунты формируются при засыпке оврагов, высохших водоемов, на месте свалок и отходов производства и т.п.

Плотность насыпных грунтов часто зависит от характера подстилающего слоя и состава насыпи (наличие мусора, шлаков и др.). Вопрос об использовании насыпных грунтов в качестве основания для зданий и сооружений рассматривается в каждом отдельном случае в зависимости от характера грунта и возраста насыпи. Так, например, песчаные насыпи, в своей основе содержащие песок, самоуплотняются через 2-3 года, а глинистые – через 5 – 7 лет, после чего они могут быть использованы в качестве естественного основания. Несущая способность глинистых грунтов при их увлажнении значительно снижается. При замерзании влажных глинистых грунтов основания происходит замерзание воды в порах: происходит так называемое «пучение», которое часто является причиной деформаций фундаментов и зданий. Поэтому глубина заложения фундаментов от уровня земли на глинистых грунтах должна быть, как правило, ниже глубины зимнего промерзания на 15 – 20 см.

Глинистые грунты (например, лессы и лессовидные ), обладающие в природном состоянии видными невооруженным глазом крупными порами (макропорами), называют макропористыми грунтами. При увлажнении такие грунты из-за содержания в них растворимых в воде извести, гипса и других солей теряют связность, быстро намокают и при этом уплотняются, образуя просадки. Указанные грунты называют просадочными и для обеспечения необходимой прочности и устойчивости возводимых на таких грунтах зданий и сооружений должны выполняться специальные мероприятия по укреплению грунтов основания и по защите их от увлажнения.

Грунтовые воды образуются в результате проникновения в грунт атмосферных осадков. Дойдя до водонепроницаемого слоя («водоупора»), например слоя глины, вода стекает по его склону, просачиваясь через водопроницаемые слои (крупнозернистые и т.п.). Уровень дренируемой воды зависит от близости водоупора к поверхности, от сезонных колебаний уровней воды в водоемах местности и т.п. Этот уровень, называемый уровнем грунтовых вод , может изменяться еще и от проникновения воды сверху – так называемой верховодки при таянии снегов, дождях и при наличии прослоек глинистых грунтов, задерживающих движение воды.

В зависимости от гидрогеологических условий, слои грунта могут быть в различной степени насыщены грунтовой водой. Крупнозернистые грунты содержат ее в том случае, если ниже них залегают водоупорные слои. Мелкозернистые грунты могут содержать грунтовую воду частично или полностью, а глинистые грунты в силу своей большой влагоемкости чаще всего имеют только капиллярную (связную) воду.

Грунтовые воды, содержащие растворенные примеси солей и других веществ, разрушающих материал фундаментов, называют агрессивными.

Для защиты от агрессивных грунтовых вод создаются специальные конструкции, способные работать в агрессивной среде и защищающие фундаменты от разрушения (СНиП 3.02.01-83).

Грунты, имеющие в своем составе лед, называют мерзлыми. Грунты, промерзающие только в течение одного зимнего времени, называются сезонно-мерзлыми; сохраняющие мерзлое состояние непрерывно в продолжении долгих лет – вечномерзлыми. Сезонно-мерзлые грунты в зимнее время под воздействием нулевой или отрицательной температуры района строительства промерзают на некоторую глубину.

Промерзание некоторых из этих грунтов может вызвать их пучение . Грунты, в которых присутствует значительное количество глины (супеси, суглинки и глины), называют вспучивающимися при замерзании. Остальные грунты (пески, гравелистые и др.) составляют группу невспучивающихся при замерзании. Силы пучения всегда направлены снизу вверх, в процессе замерзания или оттаивания происходит смещение отдельных участков поверхности относительно друг друга. По степени пучения грунты разделяются на сильно пучинистые, пучинистые и непучинистые. Более всего пучинят глинистые грунты. При насыщении водой в небольшой степени пучинят мелкие пески. Крупнообломочные и песчаные грунты крупных фракций не пучинят даже в насыщенном водой состоянии. В скальных породах и крупнообломочных грунтах деформации грунта, развивающиеся при замерзании, незначительны либо вовсе отсутствуют.