4. Конструктивные элементы гражданских зданий

4.1. Основания фундаментов зданий

Основания фундаментов зданий могут быть естественными и искусственными. Под действием внешних нагрузок основание уплотняется и сжимается, в результате чего фундамент и здание в целом опускаются. Если основание оседает равномерно по всему контуру несущих стен, то такое явление называют осадкой. Грунт основания при этом не претерпевает коренных изменений. Если оседание происходит неравномерно по контуру здания, что может вызвать его разрушение, то такое явление называют просадкой. Грунт при этом выпучивается из-под подошвы фундамента и нарушается его природная структура.

Основание, фундамент и подземные конструкции неразрывно связаны между собой, взаимно влияют друг на друга и, следовательно, должны рассматриваться как единая система, находящаяся в равновесии под действием временных (полезных) и постоянных (конструктивных) нагрузок.

Все здания и сооружения возводятся на грунтах верхних слоев земной поверхности, т.е. нагрузки, действующие на них (собственный вес, давление ветра, снеговая нагрузка, полезные нагрузки и т.д.), передаются от здания через фундамент на верхние слои земли.

Основным требованием, предъявляемым к основаниям, является их небольшая деформация (сжимаемость) под нагрузками. Предельные величины сжимаемости установлены СНиП «Основания зданий и сооружений», расчетные – устанавливаются по формулам и таблицам. Основания должны обладать достаточной несущей способностью, иметь достаточную мощность слоя, не должны размываться грунтовыми и поверхностными водами.

Если грунты на глубине до 3 - 5 м от поверхности земли удовлетворяют указанным требованиям, то фундаменты возводят непосредственно на этих грунтах и такие основания называются естественными. В противном случае прибегают к упрочнению грунтов различными способами с целью повышения их несущей способности, и такие основания называют искусственными.

Раздробленные горные породы, состоящие из отдельных минеральных частиц различной формы и крупности, пустоты между которыми заполнены водой или воздухом, называют грунтами. Грунты могут быть несвязными, если связи между минеральными частицами отсутствуют, и связными, если между частицами действуют силы сцепления и их прочность во много раз меньше прочности самих частиц.

Грунты, используемые в качестве естественного основания зданий и сооружений, подразделяются на залегающие мощными пластами скальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые.

Скальные грунты обычно залегают в виде сплошного массива или трещиноватого слоя. Под нагрузкой от зданий и сооружений скальные грунты не сжимаются и являются наиболее надежным естественным основанием. Это изверженные, метаморфические и осадочные горные породы.

Крупнообломочные грунты представляют собой несвязные обломки скальных пород, содержащих свыше 50% частиц крупнее 2 мм, и подразделяются на щебень, дресву, гальку и гравий. Они не подвержены вспучиванию, малосжимаемы, не размываются водой. Так же как и скальные грунты, они являются надежными основаниями.

Песчаные грунты состоят из частиц размером 0,1-2 мм и подразделяются на гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые. Гравелистые, крупные и средние пески с содержанием пылеватых и глинистых частиц менее 3% малосжимаемы, не вспучиваются, обладают достаточной несущей способностью независимо от влажности и являются хорошими основаниями для зданий и сооружений. Мелкие и пылеватые грунты в водонасыщенном состоянии становятся текучими и называются плывунами; как естественные основания они не пригодны. С увеличением пылеватых и глинистых частиц несущая способность песчаных оснований снижается.

Глинистые грунты (супеси, суглинки и глины) при замораживании в водонасыщенном состоянии увеличиваются в объеме, т.е. относятся к категории пучинистых. Поэтому хорошими основаниями они могут быть только в сухом состоянии. Супеси содержат глинистых частиц от 3 до 10%, суглинки – от 10 до 30%, к глинам относятся грунты, содержащие глинистых частиц свыше 30%.

Вода изменяет свойства грунтов, снижает их несущую способность. Основным источником грунтовой воды служат атмосферные осадки. Вода, проникая в грунт, наполняется газами и растворами органических веществ. Некоторые водные соединения образуют кислоты и щелочи, разрушающе действующие на фундаменты и основания. Такая грунтовая вода называется агрессивной.

В период изыскательских работ, на начальном этапе проектирования, грунты на участке проектирования и строительства объекта исследуют с целью определения характера напластований, толщины слоев, физико-механических свойств грунтов и вида грунтовой воды, ее агрессивности и уровня залегания. Геологические и гидрогеологические исследования осуществляют бурением скважин или рытьем шурфов (колодцев) и лабораторными анализами образцов грунта. Материалы обследования грунтов позволяют правильно выбрать основание под здание и защитить материалы фундаментов от коррозии.

При малой несущей способности грунта приходится прибегать к конструкциям, предусматривающим распределение нагрузки от здания на возможно большую площадь, с тем, чтобы уменьшить давление на грунт. Это достигается путем устройства под подошвой фундамента подушки из песка или бетона, либо железобетонной плиты.

Искусственные основания разделяют на две основные группы. Первая группа предусматривает различные способы упрочнения грунта. Проще всего это достигается уплотнением поверхности основания при помощи вибраторов и механических трамбовок или втрамбовывания в грунт щебня на глубину 100-150 мм. Однако эти мероприятия лишь в очень незначительной степени повышают несущую способность грунта.

Более эффективным средством является закрепление грунтов способами цементации, силикатизации и битумизации.

Способ цементации применяется при закреплении крупных и средних песков. Цементный раствор насосом нагнетается через стальные перфорированные трубы, заглубляемые в закрепляемый грунт. По мере нагнетания раствора трубы извлекаются, раствор заполняет поры грунта и, затвердевая, связывает частицы грунта в прочный массив.

Силикатизация заключается в нагнетании таким же образом раствора жидкого стекла и хлористого кальция и применяется для закрепления песков, пылеватых песков (плывунов). Лессовидные грунты закрепляются только раствором жидкого стекла.

Для закрепления крупнозернистых песков, трещиноватых горных пород и прекращения через них фильтрации грунтовой воды применяется битумизация, т.е. нагнетание в грунт горячего битума или холодной битумной эмульсии.

Вторая группа искусственных оснований характеризуется передачей нагрузки от фундаментов на более глубоко расположенные слои грунта. К этой группе относятся сваи и опускные колодцы.

С ваи по способу погружения в грунт могут быть разделены на забивные и набивные (рис. 23).

Рис. 23. Конструкции свай:

А – набивные сваи: а – бетонные, устраиваемые при помощи обсадных труб; б – то же с уширенной пятой; в – песчаные набивные; Б – забивные сваи: г – деревянные бревенчатые; д – из клееных досок; е – железобетонные монолитные; ж – трубчатые; 1 – бугель; 2 – арматура; 3 – гвозди крепления; 4 – башмак

Свайные основания представляют собой конструкцию, состоящую из погруженных в грунт свай, поверх которых устраивают железобетонную подушку (ростверк) (рис. 24).

Р ис. 24. Свайные фундаменты:

1 – надземная часть здания; 2 – гидроизоляция; 3 – ростверк; 4 – висячие сваи; 5 – пласт слабого грунта; 6- пласт плотного грунта; 7 – сваи-стойки

Забивные сваи бывают деревянные (диаметром 220-280 мм) и железобетонные квадратного сечения размером 300х300 и 400х400 мм. Для забивки свай используют специальные машины: копры и свайные молоты.

Набивные сваи изготовляются следующим образом: сначала на месте будущей сваи устраивают буровую скважину с применением обсадной трубы диаметром, равным диаметру сваи; по мере заполнения скважины бетоном производят вытаскивание обсадной трубы, причем стержень сваи приобретает в зависимости от сжимаемости грунта неправильную форму, повышающую трение между сваей и грунтом.

По конструкции сваи бывают двух видов: сваи-стойки и висячие.

Сваи-стойки обеспечивают несущую способность за счет того, что они, пройдя слабый грунт, острием входят в плотный.

Висячие сваи обеспечивают несущую способность за счет трения грунта о боковую поверхность свай и частично за счет отпора у острия сваи.

Естественные основания должны обладать достаточной несущей способностью. Несущая способность оснований определяется величиной нагрузки, при которой осадка (сжимаемость) грунта по величине и равномерности не может повредить зданию, возводимому на нем. Величина этой нагрузки, отнесенная к площади основания, называется расчетным сопротивлением грунта.

Расчетные сопротивления грунта при глубине заложения фундаментов до 2 м и ширине фундамента до 1,5 м выражаются следующими величинами:

для глинистых грунтов в зависимости от их пористости и влажности от 0,1 до 0,6 МПа;

для песчаных грунтов в зависимости от крупности, плотности и влажности песка – от 0,1 до 0,45 МПа;

для крупнообломочных грунтов - от 0,3 до 0,6 МПа;

для скальных грунтов – 1/6 от предела прочности скального грунта на сжатие.