Требования, предъявляемые к основаниям и фундаментам
Проектирование любого здания или сооружения связано с решением одной из наиболее сложных задач – оценкой несущей способности основания и выбора конструкций, материалов и методов возведения фундаментов. Сложность задачи предопределяется многообразием свойств грунтов и условий их залегания. Для успешного решения этой задачи необходимо, прежде всего, иметь как можно более подробные материалы о геологических и гидрогеологических условиях площадки проектируемого сооружения и свойствах грунтов основания с учетом их природного состояния и возможных последующих изменений под воздействием нагрузок от эксплуатируемого сооружения. Ведь именно от состояния основания во многом зависит долговечность и эксплуатационные свойства здания.
Основание должно иметь прочность, исключающую возможность выпирания грунта из-под фундамента; характеризоваться сжимаемостью грунтов, предотвращающей появление недопустимых равномерных и неравномерных осадок здания или сооружения; быть устойчивым против вымывания или выщелачивания грунта из-под фундаментов при воздействии потоков подземных или поверхностных вод; обладать необходимой устойчивостью против сдвига.
Итак, основные требования к основанию:
· достаточная прочность, т.е. малая сжимаемость и неподвижность,
· стойкость к воздействию текучих и агрессивных вод.
Фундамент должен обеспечить передачу расчетных нагрузок от сооружаемого объекта на основание с достаточными запасами прочности; иметь глубину заложения, при которой исключалось бы неблагоприятное воздействие пучение грунта при замерзании на прочность основания; выполняться из материала, устойчивого против разрушающих воздействий периодического увлажнения с промораживанием и агрессивного воздействия подземных вод.
Итак, основные требования к фундаментам: прочность, долговечность, устойчивость на опрокидывание и скольжение, стойкость к воздействию грунтовых вод, стойкость к химической и биологической агрессии.
§ 3. Требования, предъявляемые к основаниям и фундаментам
Проектирование сооружений любого назначения связано с решением одной из наиболее сложных задач — оценкой несущей способности основания и выбором оптимальных конструкций и методов возведения фундаментов. Сложность задачи предопределяется многообразием свойств грунтов и условий их залегания. Для успешного решения этой задачи необходимо иметь прежде всего возможно более подробные материалы о геологических и гидрогеологических условиях площадки проектируемого сооружения и свойствах грунтов основания с учетом их природного состояния и возможных последующих изменений под воздействием нагрузок от эксплуатируемого сооружения.
Основание должно иметь прочность, исключающую возможность выпирания грунта из-под фундамента; характеризоваться сжимаемостью грунтов, предотвращающей появление недопустимых равномерных и неравномерных осадок сооружения; быть устойчивым против вымывания или выщелачивания грунта из-под фундамента при воздействии потоков подземных или поверхностных вод; обладать необходимой устойчивостью против сдвига, а фундамент должен обеспечить передачу расчетных нагрузок от сооружения на основание с достаточными запасами прочности; иметь глубину заложения, при которой исключалось бы неблагоприятное воздействие пучения грунта при замерзании на прочность основания; выполняться из материала, устойчивого против разрушающих воздействий периодического увлажнения с промораживанием и агрессивного действия подземных вод.
Несоблюдение в практике проектирования и возведения зданий и сооружений перечисленных требований, а также ошибки в расчетах и низкое качество выполнения работ в ряде случаев приводили к авариям в результате выдавливания грунта из-под фундамента, сдвига большого массива грунта совместно с устоем и т. п.
Так, неправильная оценка физико-механических свойств грунта явилась причиной большой осадки фундамента устоя одного из мостов. За 2,5 года подошва фундамента, постоянно выдавливая слабые илистые грунты, осела в среднем на 5,4 м ниже проектной отметки заложения и остановилась в слое мелких песков, имея перекос 1,5 м (рис. В.4). По мере осадки и смещения фундамента в сторону русла устой наращивали, и в результате этого к моменту полного прекращения деформации основания устой имел искривленную форму. После достройки устоя мост был сдан в эксплуатацию.
Сдвиг левобережного устоя большого автодорожного моста произошел в процессе возведения насыпи, когда последняя была еще не досыпана на 2 м до проектной отметки (рис. В.5). Устой построен на фундаменте из 32 вертикальных свай сечением 30×30 см, заглубленных в плотные средней крупности пески. Под подошвой плиты фундамента по материалам первоначального инженерно-геологического обследования предполагался слой тугопластичных глин толщиной 2,7 м, подстилаемый пластом тугопластичных суглинков мощностью 2,8 м, а под ним — плотные средней крупности пески. Высота насыпи в месте примыкания к устою 10 м.
В результате глубокого сдвига грунта устой на уровне подошвы плиты фундамента сместился в пролет на 74 см и в низовую сторону на 35 см. При этом сломались все сваи, образовались выколы бетона и трещины в ростверке. Массив оползшего грунта сместился на 0,7—I м.
Контрольное бурение, проведенное с целью выявления причин аварии, показало, что под слоем глин залегает текучепластичный ил.
Проверкой устойчивости сдвинувшегося массива (вследствие глубокого сдвига по круглоцилиндрической поверхности) было установлено, что значение момента сдвигающих сил примерно равно моменту удерживающих сил, т. е. не был обеспечен необходимый запас устойчивости.
На основе анализа причин сдвига и результатов выполненных расчетов, а также проведенного дополнительного обследования района оползневого массива и мест сооружения новых опор было решено перед разрушившимся устоем возвести дополнительную опору и опереть на нее пролетные строения длиной 16,76 м со стороны реки и 22,16 м со стороны насыпи; новый устой расположить на необходимом расстоянии от разрушившегося, а два передних ряда свай его фундамента забить с наклоном 5:1 в сторону реки.
Рассмотренные характерные примеры аварий мостов показывают, что основными причинами их возникновения являются, как правило, недостаточное изучение геологических и гидрогеологических условий строительства, а также ошибочная оценка прочности и устойчивости оснований.
Рис. В. 4. Деформированный устой моста
1 — слой растительного грунта: 2 — ил; 3 — мелкие водонасыщенные пески
Рис. В. 5. Глубокий сдвиг устоя моста
1 — сваи; 2 и 2′ — положения устоя соответственно до отсыпки насыпи и после его смешения; 3— проектное очертание насыпи; 4 и 4′ — фактический контур насыпи до начала смещения и после него; 5 — поверхность скольжения; 6 — трещины сдвига; 7 — супеси; 8 — глины тугопластичные; 9 — текучепластичный ил; 10 — пески плотные
Основания, фундаменты и эксплуатационные требования к ним
Нижняя часть любого сооружения — его фундамент — предназначена для передачи нагрузки всей его массы на грунт, который служит основанием. Надежные основания и фундаменты гарантируют прочность и устойчивость здания, а слабые, поддающиеся деформациям, приводят к разрушению его надземной части. Поэтому как в ходе строительства, так и в процессе эксплуатации сооружений основаниям и фундаментам нужно уделять особое внимание, ибо их надежность зависит от того, насколько правильно и полно учтены в проекте эксплуатационные требования к основаниям и фундаментам в конкретных условиях их устройства.
Основание и фундамент здания конструируют и рассчитывают совместно: чем прочнее грунтовое основание, тем меньше размеры фундамента; уплотняя и упрочняя слабое основание, можно уменьшить размеры фундамента, а увеличивая размеры фундамента, в частности его заглубление, площадь опирания на грунт — его подошву, можно использовать грунт в естественном состоянии. Из этого следует, что основания могут быть естественными или искусственными, т. е. специально усиленными путем уплотнения песком, щебнем (с трамбованием), химического либо электрохимического закрепления или забивки свай.
В строительстве на слабых грунтах часто применяют железобетонные сваи или специально уширенные блоки из железобетона, позволяющие использовать грунты в их естественном состоянии. Эксплуатационникам надо внимательно относиться
к грунтам основания и всемерно их защищать от подтопления атмосферными и талыми водами, а также от промерзания. Насыпные грунты и грунты с органическими примесями, кроме намывных, отличаются большой неоднородностью и сжимаемостью, а потому, как правило, не могут служить естественным основанием.
Естественные основания должны обладать следующими эксплуатационными качествами:
достаточной несущей способностью;
малой и равномерной сжимаемостью, обеспечивающей равномерную осадку здания в допустимых пределах;
неподвижностью и не подвергаться выпучиванию при промерзании (при пучинистых грунтах основание должно выбираться ниже глубины промерзания);
быть устойчивыми к действию агрессивных грунтовых вод и не вымываться.
Песчаные грунты, состоят из частиц крупностью 1—2 мм. Чем крупнее частицы песка, тем лучшими строительными качествами обладает такой грунт основания; чем больше в нем глинистых, пылеватых частиц размером 0,05—0,005 мм, тем хуже строительные качества таких грунтов, ибо они удерживают влагу, подвергаются выпучиванию, имеют малую несущую способность. Если в песке содержится таких частиц более 15 и до 50 %, то они относятся к пылеватым.
Глинистые грунты, состоят из чешуйчатых частиц крупностью меньше 0,005 мм. Глины, в отличие от песков, имеют тонкие капилляры, большую удельную поверхность соприкасания между частицами, сильно всасывают и удерживают воду и поэтому при промерзании подвергаются выпучиванию. Сжимаемость глинистых грунтов больше, чем песчаных, однако скорость их уплотнения под нагрузкой меньше, чем песков. Поэтому осадка сооружений, построенных на глине, продолжается длительное время.
Супеси и суглинки представляют собой смесь песка, глины и пылеватых частиц: супеси содержат от 3 до 10 % пылеватых частиц, а суглинки — от 10 до 30%- По своим качествам эти грунты занимают промежуточное положение между песками и глинами. Сильно насыщенные водой супеси называют плывунами-, они мало пригодны в качестве оснований.
Лёсс по зерновому составу относится к пылеватым суглинкам. Характерным его признаком являются крупные и длинные капилляры (макропоры) в виде вертикальных трубочек, которые при замачивании размокают и под нагрузкой дают большие осадки. Основаниями они могут служить лишь в том случае, если их защитить от увлажнения или специально обработать, например предварительно увлажнить и уплотнить катками или трамбовками, что эффективно при толщине просадоч- ного грунта до 1,5 м.
Фундаменты могут быть ленточными, столбчатыми, сплошными, в виде отдельных опор под колонны, свайными и др. (рис. 2.1).
Ленточные фундаменты представляют собой непрерывную ленту из каменного материала под всеми наружными и внутренними стенами. При устройстве подвалов ленточный фундамент образует их стены; это наиболее распространенный вид фундамента. Иногда ленточный фундамент заменяют столбами через 2—3 м и под пересечением стен, а по ним на отметке цо-
Рис. 2.1. Основные конструкции фундаментов
а — ленточный под стены; б —то же, под колонны; в — столбчатый под стены; г — отдельный под колонну; д — сплошная плита под колонны; е — коробчатый под здание; ж — свайный
коля укладывают обвязочную балку и по ней возводят стену. На слабых, пучинистых, вечномерзлых грунтах фундамент нередко выполняют из свай. Сплошные фундаменты устраивают при больших нагрузках в зданиях повышенной этажности, в заглубленных сооружениях, т. е. когда зданию необходимо придать особую надежность и монолитность. Фундаменты под колонны делают в виде отдельных опор-башмаков.
Ширина фундамента в верхней части определяется исходя из толщины стены, опирающейся на него, а также двух выступов- обрезов по 60 мм, учитывающих неточность разбивки фундамента и грубые формы используемых для него камней. Размер фундамента понизу зависит от прочности грунтов основания. При слабых грунтах фундамент в нижней части уширяют ступенями с соотношением высоты к выступу 1 :2, например 20 и 40 см. Заглубление фундаментов определяется прочностью
основания (чем оно глубже, тем больше его несущая способность), а также глубиной промерзания пучинистых грунтов. При влажных пучинистых грунтах заложение фундаментов должно быть обязательно на 250 мм ниже глубины промерзания. Для зданий с подвалами заглубление фундаментов назначается в зависимости от высоты подвала и прочности грунтов основания.
Изменение проектных условий оснований и фундаментов (например, в результате срезки или подсыпки грунта вокруг здания, повышения или понижения уровня грунтовых вод и т. п.) может привести к снижению несущей способности, неравномерной их осадке или к выпучиванию, разрушению всей надземной части здания. Фундаменты возводятся из морозо- и гнилостойких материалов и поднимаются над землей на 10 см, чтобы гидроизоляция и кирпичная кладка находились выше отмостки тротуара, а еще лучше слой гидроизоляции поднять выше — на 20—30 см с целью защиты стены от капиллярной воды.
Таблица 2.1. Исходные данные для установления эксплуатационных качеств фундаментов
На основе учета воздействующих на основания и фундаменты факторов и предъявляемых к ним нормативных требований составлена таблица (табл. 2.1) и принципиальная структурная схема (рис. 2.2), на которой показаны все воздействующие факторы и удовлетворяющие их конструктивные элементы фундамента.
Теперь, когда известны структурная схема, возможные конструктивные решения фундаментов и сформулированы (табл.
2.1) эксплуатационные требования к ним, можно перейти к выбору и обоснованию конструкции фундамента для конкретных гидрогеологических, климатических условий и назначения здания, его размеров, строительных материалов и других особенностей.
Рис. 2.2. Структурная схема фунда- мента
Воздействия на фундаменты: 1 — грунта и грунтовых вод; 2 — промерзания и пучения; 3 — атмосферных осадков; 4 — нагрузок
Конструктивные элементы фундаментов: I — горизонтальная
гидроизоляция; II — несущие элементы; III — вертикальная гидроизоляция и ее защита; IV — горизонтальная гидроизоляция в полу и фундаменте; V — дренаж; VI — основание (естественное или искусственное)
Задача выбора конструкции и размеров фундамента состоит в том, чтобы оценить выбираемый вариант по показателям указанной таблицы, структурной схеме фундамента и достигнуть полной и правильной реализации нормативных эксплуатационных требований в проектируемом фундаменте.
При этом важно выявить возможные несоотвествия, неполное удовлетворение эксплуатационных требований в проектируемом фундаменте и устранить их, а в инструкции по эксплуатации отразить специфику его технического обслуживания и ремонта.
Таким образом, задача проектирования фундаментов, как и других конструкций здания (сооружения), состоит в том, чтобы из всех известных и возможных конструктивных решений выбрать, руководствуясь эксплуатационными требованиями к ним, их принципальной структурной схемой, а также исходными данными для разработки проекта, наиболее рациональный для данного случая тип.
Цоколь — это нижняя часть стены, которая должна обладать особыми эксплуатационными качествами: конструктивными— защищать стену от увлажнения и механических повреждений; эстетическими — создавать зрительное впечатление прочной и надежной базы здания. Поэтому цоколь выполняется из прочного и красивого материала, разделывается «под крупные камни», его нередко окрашивают в темный цвет. Материалами для цоколя служат естественный камень, бетонные блоки, хорошо обоженных кирпич. Недооценка материала для цоколя, отсутствие в нем гидроизоляционного слоя приводит к быстрому разрушению здания, неприятному внешнему виду, а восстановить цоколь и гидрозоляцию в нем сложно и дорого.
Отмостка — это слой асфальта, бетона или камня толщиной 100—150 мм и шириной около 750 мм вдоль наружной стены
здания, уложенный на подготовленное из глины и щебня основание, имеющий уклон от здания 0,03—0,05; она предназначена для отвода воды от здания и прикрытия верхнего обреза фундамента. Важным условием исправности отмостки является хорошо уплотненный грунт обратной засыпки, на котором она устраивается; исправная отмостка — без трещин, «блюдец», скопления на ней воды — гарантирует сохранение в проектном положении основания, фундамента и всей надземной части здания. В зданиях, расположенных на красной линии, функции отмостки выполняет тротуар.
Нередко отмостке не придается должного внимания или ее вообще не устраивают. Недооценка роли отмостки и ее исправного состояния как малозначащего, несущественного элемента обходится весьма дорого. Поскольку она устраивается на обратной засыпке грунта вокруг фундамента, то грунт оказывается плохо уплотненным и отмостка дает просадку, в ней образуются трещины, через которые вода проникает под фундамент, снижает несущую способность основания, способствует его промерзанию и выпучиванию со всеми вытекающими последствиями. Из этого следует, что исправное состояние отмостки является важным ее эксплуатационным качеством, обязательным условием поддержания в исправном состоянии всего сооружения, а неисправное ее состояние, скопление на ней воды влекут за собой повреждения вышележащих частей здания.
По состоянию отмостки и цоколя можно судить о техническом состоянии здания, а также о профессионализме и добросовестном выполнении своих обязанностей эксплуатационниками.