1. Устройство оснований (понятие «естественное» и «искусственное» основания, способы подготовки естественных и искусственных оснований).

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.

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.

Технологический процесс подготовки оснований под фундаменты состоит из целого ряда этапов, во время которых решаются две основные задачи. Первое – доведение несущей способности грунта до проектной, и второе – по всей поверхности обеспечение условий для надежного контакта основания с подошвой фундамента. В процессе подготовки оснований необходимо выполнить ряд работ, таких как осушение или увлажнение грунта, при необходимости уплотнение основания, подчистка дна траншей и котлованов. Последнюю операцию выполняют с помощью бульдозера по всей площади котлована. Бульдозер приступает к работе после экскаватора и срезает весь оставленный им грунт. Затем, непосредственно перед укладкой фундамента, подчистка дна траншее осуществляется вручную небольшими участками.

Далее вся поверхность основания выверяется визированием. Для этого пересечение осей стен и углов фиксируются с помощью колышков, при этом верхняя отметка определяется по нивелиру. При этом грунт, который оказывается выше данной отметки, необходимо при подчистке срезать вручную. Если в котлованах ведется механизированная подчистка, то грунт необходимо срезать ниже отметки колышка и подсыпать до верха песком. Таким образом не только значительно повышается контакт фундамента с основанием, но и практически исключается использование ручного труда. В том случае, если основание состоит в основном из насыпных или слабых естественных грунтов, необходимо увеличить несущую способность их поверхности на полтора – два метра в глубину.

Чтобы давление от фундамента распределить на максимально большую площадь, можно устроить щебеночную или песчаную подушку. Этот метод применяется так же когда нужно заменить слой слабого грунта.

Методы искусственного закрепления можно использовать когда нужно увеличить несущую способность горных пород с трещинами или слабых грунтов. К таким методам относятся: цементация, смолизация, силикация и термическое закрепление. Наиболее похожи по технологическим особенностям силикатизация и смолизация. В обоих методах производится сходные операции, такие как расчистка участков закрепления, глубинное погружение инъекторов, изготовление специальных растворов, последовательное извлечение инъекторов, а так же тампонаж скважин.

Для того, чтобы уплотнить основание из просадочных или насыпных грунтов, используют глубинное уплотнение с помощью грунтовых свай. Требуемый результат получается благодаря продавливанию скважины, которое вызывает движение грунта в стороны. Аналогичных результатов можно добиться с помощью расширения скважин-шурупов за счет энергии взрыва. Далее скважины заполняют грунтом, уплотняя его по слоям. Такой способ позволяет получить толщину уплотненного слоя до 25 метров.

Чтобы довести плотность грунта до требуемого уровня, сваи располагаются в шахматном порядке на вершинах условного треугольника. Расстояние между сваями должно обеспечивать соприкосновение зон в следствие чего образуется уплотненный грунтовый массив.

Способ винтового продавливания так же может применяться для глубинного уплотнения грунтов. Здесь скважины образуются так называемыми спиралевидными снарядами. При этом грунт не извлекают на поверхность, а с помощью радиально направленного воздействия расширяют скважину, непрерывно уплотняя грунт. Эффект создается снарядом, который вращаяю, опускается в грунт и создает осевое давление.

Естественные песчаные грунты могут переходить в плотное состояние, когда на них воздействуют силы вибрации. На этом основан метод глубинного виброуплотнения таких грунтов. Когда песок насыщается водой, под воздействием колебаний вибратора грунт обретает подвижность, а его зерна под действием гравитации опускаются вниз. В результате грунт уплотняется.