Применение эффективных конструкций фундаментов в

Понятие об основаниях, их классификация.

Принципы конструктивных решений жилых зданий

ЛЕКЦИЯ 2.

УМ 4. ФУНДАМЕНТЫ.

Тема занятий	Тип занятий	Вид занятий	Кол-во часов
Основания и фундаменты	Изучение нового материала	Лекция
Построение планов фундаментов, различных по конструированию	Углубление знаний	Практическое занятие
Курсовое проектирование	Систематизация и углубление знаний	Управляемая самостоятельная работа (курсовое проектирование)

1. Понятие об основаниях, их классификация.

2. Применение эффективных конструкций фундаментов в

Республике Беларусь.

3. Основные рекомендации по выбору конструктивных решений

фундаментов при строительстве гражданских зданий в

Республике Беларусь.

4.Общие сведения о фундаментах.

5. Конструктивные решения основных видов

фундаментов.

Геологические породы, залегающие в верх­них слоях земной коры, используемые в строительных целях, называются грунтами. Грунты представляют собой скопление частиц (зерен) различной величины, между которыми находятся поры (пустоты). Эти час­тицы образуют так называемый скелет грунта.

Грунты, непосредственно воспринимающие нагрузки от здания или сооружения, называ­ются основанием.

Основание, способное вос­принять нагрузку от здания или сооружения без укрепления (усиления) грунтов, называ­ет ся естественным основанием.

Основание, способное воспринять нагрузку от здания или сооружения только после проведения мер по укреплению (усилению) грунтов, называется искусственным основанием.

Естественные основания. Грунты, исполь­зуемые в качестве естественных оснований здании и сооружений, подразделяются в за­висимости от геологического происхождения, минералогического состава, физико-механи­ческих показателей на скальные и нескаль­ные.

К нескаль­ным относятся: крупнообломоч­ные, песчаные и глинистые.

Скальные грунты представляют собой вулканические (изверженные), метаморфиче­ские и осадочные породы с жесткой связью между зернами минералов (спаянные и сце­ментированные). Такие грунты залегают в виде сплошного массива или трещиновато­го слоя, образующего подобие сухой кладки. К скальным грунтам относятся граниты, базальты, песчаники, известняки. Под нагрузкой от здания и сооружения они (за исключением сильно выветрившихся рухляков или водорастворимых скальных пород) не сжимаются и являются наиболее прочными основаниями зданий и сооружений. К во­дорастворимым и размягчаемым в воде ска­листым породам относятся гипсы, ангидриты, глинистые сланцы, некоторые виды песча­ников.

Крупнообломочные грунты представляют собой несцементированные скальные грунты, содержащие более 50% по весу обломков кристаллических или осадочных пород. Такие грунты из крепких

неразмываемых пород слабо сжимаются под нагрузкой и также мо­гут быть прочным основанием для зданий и сооружений.

В зависимости от крупности зерен различаются: щебенистые (гравелистые) крупнообломочные грунты при преоб­ладании щебня или гравия крупнее 10 мми дресвяные — при преобладании щебня или гравия от 2 до 10 мм.

Песчаныегрунты, сыпучие в сухом виде, состоят преимущественно из округленных частиц (зерен) крупностью от 0,05 до 2 мм, являющихся конечным результатом распада каменных пород. В зависимости от крупности частиц пески разделяются на гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые. В зависимости от плотности сложения или пористости песчаные грунты бывают плотные, средней плотности и рыхлые. В за­висимости от степени влажности или степени заполнения объема пород различают песчаные грунты маловлажные, влажные и на­сыщенные водой. Увлажнение песчаных грун­тов снижает их несущую способность, причем снижение тем больше, чем меньше размеры частиц грунта. Особенно сильно влияет на снижение несущей способности грунта ув­лажнение мелкозернистых и пылеватых пес­ков с глинистыми и илистыми примесями. Эти грунты в водонасыщенном состоянии ста­новятся текучими, и потому их называют плывунами; возведение здании па таких грун­тах создает значительные затруднения. Пес­чаные грунты из гравелистых, крупных и средней крупности песков малосжимаемы и при достаточной мощности слоя служат прочным и устойчивым основанием зданий и сооружений.

Глинистые грунты — результат разложе­ния горных пород с преимущественным со­держанием глинозема — относят к связным грунтам, так как частицы их скреплены сила­ми внутреннего сцепления. Они состоят из мельчайших минеральных плоских частиц раз­мером менее 0,005 мми толщиной менее 0,001 мм,а также песка и иногда раститель­ных остатков. Эти примеси уменьшают водо­непроницаемость глины и ее прочность. В за­висимости от количества содержащихся в грунте глинистых частиц и песка, а также пластичности грунта различают супеси, су­глинки и глины. Глинистые грунты пластич­ны, то есть, способны при добавке воды перехо­дить из твердого состояния в пластичное, а при дальнейшем увлажнении — в текучее состояние. От степени влажности существен­но зависят строительные свойства глинистых грунтов. В сухом и маловлажном состоянии они служат хорошим основанием для зданий Iи сооружений, но несущая их способность в разжиженном состоянии значительно сни­жается.

Расширение воды при замерзании в порах глинистых грунтов основания вызывает уве­личение объема грунта, или, как говорят, «пучение». При замерзании влажных глинис­тых грунтов основания силы пучения бывают настолько велики, что они "приподнимают фундаменты и могут явиться причиной де­формации фундаментов и здания. Поэтому глубиназаложения фундаментов от уровня земли на глинистых грунтах должна быть, как правило, не менее глубины промерзания грунта.

Среди глинистых грунтов особые группы составляют илы, просадочные инабухающие грунты. Илы малопригодны в качестве осно­ваний. Просадочные лессовые и лессовидные грунты при замачивании водой дают под дей­ствием внешней нагрузки дополнительные осадки, что может привести к разрушению со­оружений. При проектировании зданий и сооружений на таких грунтах необходимо выполнять специальные мероприятия по их укреплению.

Качество основания в значительной мере зависит от однородности слагающих его грун­тов и горизонтальности напластований. Неод­нородность грунтов особенно опасна при на­сыпных основаниях, которые могут иметь раз­личный состав, плотность и сложение. Воз­можность применения насыпных грунтов в ка­честве оснований должна решаться в каждом случае конкретно. Наклонные напластования могут привести к оползням при загружении пластов дополнительной массой здания или со­оружения.

Особым случаем проектирования основа­ний является устройство его над подрабаты­ваемыми территориями — над шахтами, руд­никами пли естественными пещерами, когда при нагружении возможны просадки пластов, лежащих над выработками.

Грунтовые воды, заполняющие поры грун­тов основания, влияют на выбор типов фунда­ментов, их размеры, глубину заложения, гид­роизоляцию и другие водозащитные меропри­ятия. Для проектирования основания необхо­димо иметь данные об уровне грунтовых вод, его возможном изменении: сезонном, многолет­нем, в результате строительства и эксплуата­ции зданий и сооружений; о характере этих вод — их подвижности, химическом составе, напоре и т. д.

Изменение уровня грунтовых вод может иметь своим последствием изменение струк­туры грунта, его набухание, пучение, размыва­ние и т.д. Следует помнить, что увлажнение основания может быть не только в пределах уровня грунтовых вод, но и значительно вы­ше— в результате капиллярного поднятия во­ды. При диаметре капилляров 0,005 мм высо­та поднятия воды может составить: для мел­ких песков—0,1—0,5 м, пылеватых—0,5— 2 м, суглинков—5—15 м, для глин —5—50 м.

Подвижные воды при соответствующих скоростях перемещения могут размывать грунт основания или материал фундамента. Агрессивные примеси в воде могут разруши­тельно действовать и на грунт, и на фунда­мент. Напорные грунтовые воды затрудняют выполнение гидроизоляции фундаментов, ос­ложняют эксплуатацию подвалов.

Промерзание грунтов. На обширных тер­риториях нашей страны верхние слои грунта значительную часть года имеют отрицатель­ную температуру. Грунты, хотя бы часть во­ды и которых находится в замерзшем состоя­нии, называют мерзлыми. Различают сезонно-мерзлые и вечномерзлые грунты. Сезонномерзлые промерзают на определенную глубину только в зимний период. Вечномерзлые оттаи­вают на определенную глубину в летний пе­риод. Глубина сезонного промерзания зависит от климатических условий и вида грунта. Можно также определить эту величину по формулам, приводимым в курсе «Основа­ния и фундаменты».

Искусственные основания. Несущую способность слабого грунта можно увеличить путем: уплотнения, закрепления или замены слабого грунта на более проч­ный (рис. 4.1). Уплотняют грунты: укаткой, трамбованием, вибрацией и устройством грунтовых свай.

Рис.4.1. Грунтовые искусственные основания:

а – грунтовая свая; б – песчаная подушка; в – усиление грунта

силикатизацией (цементизацией); 1 – слабый грунт; 2 – песчаная

подушка; 3- зона уплотнного грунта силикатизацией (цементизацией);

4 – инъекторы d = 20-40 мм; 5 – фундамент.

Укатка грунта катками уплотняет его на 15—20 см, а трамбование падающими механическими трамбовка­ми — на глубину до 1,5—2,0 м, причем в последнем случае несущая способность увеличивается до 30%.

Крупнообломочные и крупнозернистые песчаные грунты хорошо уплотняются поверхностными вибраторами. Укатка, трамбование и вибрирование относятся к поверхностному уплотнению грунтов.

Глубинное уплотнение грунтов производят глубинными вибраторами или с помощью грунтовых свай (путем заполнения заготовленных скважин песком или грунтом с послойным трамбованием его до необхо­димой плотности). Длина свай может достигать 15 м.

Закрепление грунтов производят: силикатизацией, цементированием илибитумизацией — путем нагнетания по трубам в грунт соответст­вующих эмульсий. Применение одного из трех указанных способов определяется видом грунтов.

Силикатизацией (нагнетание в грунт через трубы жидкого стекла и хлористого кальция) можно закрепить песчаные пылеватые грунты, плывуны.

Цементированием (нагнетание в грунт цементного молока) закреп­ляют гравелисгые крупно- и среднезернистые грунты.

Битумизация применяется для закрепления сильно трещиноватых скальных и песчаных пород и песчаных грунтов. После затвердева­ния эмульсии в порах грунта происходит его окаменение.

Замена слабого грунта более плотным производится устройством песчаных или щебеночных подушек. Песчаная подушка выполняется из среднезернистого или крупнозернистого песка с увлажнением и уплотнением его при укладке. Подушка распределяет давление от фундамента на большую площадь слабого грунта и уменьшает его за счет своей упругости.

Термический способ укрепления грунта состоит в нагнетании в толщу грунта под дав­лением через трубы воздуха, нагретого до 600-800° С, или в сжигании горючих продук­тов, подаваемых в герметически закрытую скважину под давлением. Термический спо­соб глубинного уплотнения грунта применяют для устранения просадочных свойств лёссо­вых грунтов па глубину 10—15 м.Обожжен­ный грунт образует фильтрующий слой, сквозь который вода может проникнуть через толщу просадочного грунта на устойчивый непросадочный грунт. Обожженный грунт приобретает свойства керамического тела, не намокает и не набухает.

Республике Беларусь.

Фундаментостроение является одним из наиболее материалоемких видов строительства - «нулевой цикл» состав­ляет 10... 30% стоимости здания. Поэтому важную роль в Республике Беларусь приобретает внедрение новых эффективных фунда­ментов и способов их возведения, позволяющих сни­зить стоимость работ нулевого цикла.

По оценкам ведущих ученых и специалистов между­народной организации по механике грунтов и фундаментостроению (МОМГиФ) в настоящее время зачастую при возведении нулевого цикла зданий и сооружений про­исходит существенный (до 20...50%) перерасход мате­риальных ресурсов (бетона, железобетона, металла и др.), который ежегодно составляет миллионы тонн.

Такое положение вызвано существующими норма­ми проектирования, которые, как правило, занижают физико-механические характеристики грунтовых сред естественного и особенно искусственного происхож­дения.

Это приводит к введению в расчеты оснований и фундаментов различного рода коэффициентов за­паса, в результате чего чрезмерно увеличивается ве­личина заглубления конструкций фундаментов в грунт или неоправданно растет площадь опирания (контак­та) их поверхности на грунты.

Во-первых, для строительных целей стали отводиться площадки со сложными инженерно-геологическими условиями, которые можно было перекрыть (поднять) только насыпными грунтами.

Во-вторых, очень часто, в процессе строительства на намывных территориях верхний слой намывного грунта подвергался переукладке механическими средствами и превращался, таким образом, в насыпной грунт. В-третьих, планировка строительных площадок на пересеченной местности, где объем строительства так; значительно вырос, приводила к тому, что в предел одной строительной площадки оказывались как грунты естественного сложения, так и насыпные.

Исследования вопросов строительства на насыпных основаниях, которые проводились в БелНИИС 1980-е и 1990-е годы под общим научным руководством В.Е. Сеськова, позволили обосновать новое научное направление в Республике Беларусь: строительство на искусственно упрочненных основаниях.

Суть нового направления в том, чтобы разработать методы и средства инженерной подготовки (упрочнения) любых (естественных и искусственных) грунтов, получить и проконтролировать заданные улучшенные физико-механические характеристики этих грунтов и возвести на этих упрочненных основаниях аффективные фундаменты с уменьшенными размерами и повышенной несущей способностью.

В этом направлении в БелНИИС применительно к условиям Беларуси были разработаны и внедрены в практику строительства (В.Е. Сеськов, В.Н. Лях, В.Н. Кравцов, Л.Ф. Козак, В.П. Ермашов и др.):

- набивные фундаменты в выштампованных котлованах с микросваями;

- набивные сваи в вытрамбованных скважинах и котлованах, в том

чис­ле песчано-гравийные сваи и опо­ры;

- техногенные геомассивы из песчано-гравийных и щебеночных свай и опор, устраиваемые с применени­ем тяжелых трамбовок и буровой техники;

- технология вибродинамического уплотнения насыпных и рыхлых песчаных грунтов:

-ленточные и столбчатые фундаменты на горизон­тально-слоистых уплотненных подушках;

- комбинированные фундаменты с анкерами в выштампованных скважинах и котлованах;

- сваи из местных материалов в вытрамбованных и буровых скважинах и котлованах;

- забивные сваи, призматические и пирамидаль­ные с рациональной и изменяющейся по длине формой поперечного сечения;

- кусты из забивных свай с несущим ростверком и переменной в плане длиной свай;

- комбинированные ленточные и столбчатые фун­даменты из забивных и набивных свай с несущими ростверками в выштампованных котлованах

или из забивных блоков;

- комбинированные набивные траншейные или щелевые фундаменты с уплотненным под их тор­цом основанием;

- тонкие сплошные железобетонные плиты на упрочненных основаниях переменной жесткости, в том числе для каркасных жилых и гражданских зданий;

- сваи в буро-раскатанных и буро-раздвижных скважинах и др.

В этом перечне особенного внимания заслужива­ют геомассивы из щебеночных и гравийных свай и опор, применение которых позволило в ряде случаев сократить расход бетона и железобетона фундамен­тов на 50...90%

В качестве примера разработки эффективных фун­даментов можно привести набивные сваи с уплотнен­ным основанием. Данный тип фундаментов получил в Беларуси широкое распространение. Это в ча­стности: набивные фундаменты в выштампованных кот­лованах с микросваями (рис. 4.2, а); набивные сваи в выт­рамбованных скважинах, в том числе песчано-гравийные сваи (рис.4.2, б); набивные фундаменты в вытрам­бованных котлованах (рис.4.2, в).

а б в

Рис. 4.2.Виды набивных фундаментов с уплотненным основанием:

а – набивной фундамент в выштампованном котловане с микросваями;

б- набивная свая в вытрамбованной скважине; в – набивной фундамент в

вытрамбованном котловане.

Их отличительными особенностями являются:

- гибкость технологии возведения, то есть воз­можность устройства любых типов фундаментов

- ленточных, столбчатых, одноэлементных, в ко­торых сочетаются ростверк и собственно фунда­мент, передающий нагрузку на грунт (рис.4.3);

- их устройство из общего котлована минималь­ной глубины, подготовленной под все здание или сооружение до отметки верха фундамента, то есть низа основания пола или фундаментных балок;

- изготовление фундаментов путем одномомент­ного или раздельного бетонирования котлованов (скважин) которые образуются путем вштамповывания или втрамбовывания грунта внутрь грунто­вого массива;

- создание уширений как под фундаментами - сва­ями (пята), так и по верху (шайба);

- создание пяты путем втрамбовывания в основа­ния фундамента - сваи жесткого материала (жес­ткая бетонная смесь, щебень, гравий и т.п.);

- передача вертикальных, горизонтальных и моментных нагрузок от фундаментов на грунт осно­вания не только по их подошве и боковым стенкам, но и через уплотненный грунтовый массив.

Рис. 4.3. Типы фундаментов с выштампованным и вытрамбованным основанием:

А- ленточные фундаменты; Б – столбчатые фундаменты; В –

одноэлементные фундаменты; Г – комбинированные фундаменты с

анкерами; 1 – набивные фундаменты в выштампованных котлованах с

микросваями; 2- набивные сваи и фундаменты в вытрамбованных

скважинах и котлованах.

Важным достоинством таких фундаментов на уп­лотненном основании является то, что все их типы и виды могут выполняться с помощью серийно выпус­каемых машин и механизмов и комплексного навесного оборудования весьма простого изготовления.

Набивные фундаменты в выштампованных котло­ванах с микросваями получили наиболее широкое распространение при строительстве зданий и соору­жений различного типа (более 500 объектов) вслед­ствие их высокой экономической эффективности и надежности.

Набивные фундаменты в вытрамбованных котло­ванах были применены для устройства столбчатых фундаментов для гражданских и промышленных сооружений с нагрузкой до 6000 кН на одну колонну и наличием горизонтальных, моментных и выдергива­ющих нагрузок (более 10 объектов). Здесь можно отметить такие крупные объекты, как цех полуфаб­рикатов мясокомбината по ул. Казинца, крупные промышленные цеха на ПО «Интеграл", НПО «Центр», укрытие хранилища токсических промыш­ленных отходов с пролетом 3-шарнирных арок, со­ставляющим 62 м и др.

Анализируя опыт внедрения в Беларуси фундамен­тов с выштампованным и вытрамбованным основани­ем, можно сделать вывод, что высокая их эффектив­ность (см. таблицу) достигается за счет рациональных конструкций и технологии выполнения. Кроме того имеется возможность устраи­вать разные типы фундаментов в различных грунтовых условиях для всех видов зданий (жилых, гражданских, промышленных и сельскохозяйственных).

С середины 1980-х годов на территории Белару­си и за ее пределами построено более 3 тысяч объек­тов, где применялись результаты проведенных в БелНИИС исследований эффективных фундаментов в уп­рочненном грунте. Получен экономический эффект за счет уменьшения материалоемкости и трудоемко­сти в строительстве в размере свыше 50 млрд. руб. (в ценах на 01.01.2005 г.). В числе наиболее крупных

объектов внедрения последних лет следует упомя­нуть такие объекты, как Солигорск, Жлобин, Орша и др., жилые и общественные здания в г.Москве и Мос­ковской области.

В настоящее время исследования по данному на­правлению продолжаются. Они связаны с изучением процесса упрочнения оснований, содержащих в своем составе биогенные, в том числе погребенные грунты, лессовидные отложения и ленточные глины, кото­рые имеют довольно широкое распространение на территории Беларуси и наличие которых, в опреде­ленной степени, является сдерживающим фактором более широкого применения в практике строитель­ства фундаментов с упрочненным

основанием.

При строительстве зданий и сооружений в сложных грунтовых условиях в Беларуси доминируют фунда­менты из забивных свай. Это решение является тра­диционным и наиболее распространенным, начиная с 1950-х годов. Несмотря на некоторые недостатки ме­тода, в целом фундаменты из забивных свай являют­ся до настоящего времени во многих случаях эффек­тивным конструктивным решением. В последние годы наряду со строительством жилых и общественных зданий традиционного типа появилась тенденция к сооружению уникальных строений с большими на­грузками на фундаменты в плотной городской заст­ройке. В таких ситуациях забивные сваи, как правило, неприемлемы из-за недостаточной их несущей спо­собности и динамических воздействий на окружаю­щую среду.

В Западной Европе, атакже в крупных постсовет­ских городах соседних республик здания с большими нагрузками на фундаменты в условиях плотной город­ской застройки возводят на различного вида набивных сваях из монолитного бетона. Применяемые для этих целей современные технологии отличаются вы­сокой производительностью, небольшим уровнем ди­намических воздействий на окружающую среду, спо­собностью свай к восприятию больших нагрузок и низкой себестоимостью строительства.

В настоящее время в Беларуси применяются буронабивные сваи, однако оборудование и технология строительства отстают от передовых требований. Себестоимость строительст­ва таких свай примерно вдва раза выше, а темп работ в два раза ниже, чем по технологии забивных свай. При этом несущая способность буронабивных свай ниже, чем забивных.

Основной недостаток традиционного решения буронабивных свай — небольшая удельная несущая способность — связан с технологическими особенностями их устройства и конструктивным несовершенс­твом. Это обусловлено разрушением структуры, раз­рыхлением и уменьшением прочности грунта в стен­ках и забое скважины (в формируемой зоне контакта с бетоном). Ослабление контактного слоя частично уст­раняется за счет поперечных деформаций бетона при его укладке (иногда с трамбованием). Однако, как показывает практика полного восстановления первоначальных свойств грунта не достигается. Кроме этого, при свободной укладке бетона в скважину случается обрушение ее стенок, нарушающее однородность ствола сваи и снижающее ее несущую способность.

Обеспечить восприятие больших нагрузок при от­сутствии динамических воздействий на окружающую среду и минимальных затратах на строительство в стесненных условиях плотной городской застройки позволяет технология устройства буропрессвай.

Сущность технологии создания буропрессваи зак­лючается в формировании ствола сваи (рис. 4.4.) под давлением в несколько атмосфер из бетонной смеси, нагнетаемой через полый шнек, предварительно за­буренный в грунт и извлекаемый при действии этого давления. Буропрессваи по технологии производства подобны буроинъекционным сваям (иногда их так и называют), но в отличие от последних для их устрой­ства применяют не инъекционный раствор, а пластич­ную бетонную смесь. Эта особенность обеспечивает буропрессваям некоторые конструктивные преиму­щества, новые функциональные возможности и свою область применения.

Опыт строительства за рубежом показывает, что максимальная несущая способность при массовом применении бу­ропрессвай (2300 кН) в 1,9 раза больше несущей спо­собности буронабивных свай (1200 кН) и в 2,3 раза больше, чем забивных свай (1000 кН). При этом удельная несущая способность (на 1 куб.м бетона) буро­прессвай на 15% больше, чем у забивных, и на 52% больше, чем у буронабивных свай.

Рис.4.4. Устройство буропрессвай.

Повышение несущей способности буропрессвай по сравнению с забивными сваями обусловлено их гео­метрическими размерами. Диаметр буропрессвай со­ставляет 400...800 мм (иногда 1000мм), а сечение за­бивных свай в основном 300x300 мм (иногда до 400x400 мм). По сравнению с буронабивными сваями, которые имеют примерно равные размеры сечения (диаметр 500...1000 мм), увеличение несущей способ­ности обусловлено улучшением условий работы осно­вания и более качественным контактом сваи с грунтом.

Максимальная глубина погружения буропрессвай и забивных свай одинакова. Однако существенный недо­статок последних заключается в том, что они при боль­шой длине должны выполняться из отдельных стыкуе­мых элементов. В этом случае значительно возрастает стоимость конструкций, увеличивается трудоемкость работ и соответственно снижается производительность сваебойного агрегата. По сравнению с буронабивными сваями, глубина погружения которых может достигать 50 метров, буропрессвай по этому показателю уступа­ют. Однако, если учесть, что в грунтах Беларуси практи­чески нет необходимости устраивать сваи глубиной бо­лее 30 метров.

Стоимость материалов буропрессваи одинакова со стоимостью буронабивных и на 15...20% меньше, чем забивных свай. Стоимость производства работ при­мерно на 10% больше, чем для устройства забивных, и на 10...15% меньше, чем при устройстве буронабивных свай.

Буропрессваи рациональны при застройке различ­ных территорий, в том числе свободных и окраинных городских районов. Наибольшая эффективность до­стигается при строительстве в плотной центральной городской застройке, а также при неустойчивых грун­тах и высоком уровне грунтовых вод. Применение их осложнено при необходимости прорезки мощных прослоек прочного грунта, в частности, морен с большим включением валунов и галечника.

Дата добавления: 2015-04-24