Основание

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, называется 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 зданий и сооружений, подразделяются в зависимости от геологического происхождения, минералогического состава, физико-механических показателей на скальные и нескальные. К по­следним 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 относят граниты, базальты, песчаники, известняки и т. п. Под нагрузкой от зданий и сооружений 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 мм и дресвяные — при преобладании щебня или гравия от 2 до 10 мм.

Песчаные грунты сыпучие в сухом виде, со­стоят преимущественно из округленных частиц 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 разделяют на плотные, средней плотности и рыхлые. В зависимости от степени влажности или от степени заполнения объема пор водой 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 зданий на 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 грунтами, так как частицы их скреплены силами внутреннего сцепления. Они состоят из мельчайших минеральных плоских частиц размером менее 0,005 мм и 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 частице песка, а также пластичности грунта различают супеси, суглинки и глины. Глинистые грунты пластичны, т. е. 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 и 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 глубина заложения фундаментов от уровня земли на глини­стых грунтах должна быть, как правило, не ме­нее глубины зимнего промерзания.

Глинистые грунты (лёссы, лёссовидные), обладающие в природном состоянии видимыми невооруженным глазом порами (макропорами) в форме ячеек и вертикальных трубочек, разме­ры которых значительно превосходят размеры частиц, составляющих скелет грунта, называ­ются макропористыми грунтами. При увлаж­нении эти грунты из-за содержания в них рас­творимых в воде извести, гипса и других солей теряют связность, быстро намокают и при этом уплотняются, образуя просадки, поэтому их на­рывают просадочными грунтами. Для обеспечения прочности, устойчивости и пригодности к эксплуатации зданий и сооружений, возводи­мых на просадочных грунтах, при проектиро­вании и строительстве должны выполняться специальные мероприятия по укреплению грунтов основания и по защите их от увлажнения.

Существуют также насыпные грунты — ис­кусственные насыпи, образованные при засып­ке оврагов, прудов, побережий рек, на местах свалок, участках отвалов отходов производст­ва и т. п. Засыпка производится не только грунтом или отвалами (пустой породой, шлаками и т. п.), обладающими малой сжимаемостью, но и мусором, содержащим большое количество органических разлагающихся примесей, отходов производства, неоднородных как по структуре и составу, так и по сжимае­мости. Плотность насыпных грунтов часто за­висит от возраста насыпи и характера грунтов. Так, насыпи из песчаных грунтов самоуплот­няются через 2—3 года, а из глинистых — через 5—7 лет. Хорошим основанием служат отвалы металлургических шлаков при мощности слоя больше 3 м. Вопрос об использовании насып­ных грунтов в качестве основания для зданий и сооружений рассматривается в каждом от­дельном случае в зависимости от характера фунтов и возраста насыпи, а также в зависи­мости от назначения здания или сооружения.

Грунты всех видов называются мерзлыми, если они содержат в своем составе лед при отрицательной или нулевой температуре, и вечно мерзлыми, если они в продолжении мно­гих лет не подвергались сезонному оттаиванию.

Грунтовые воды образуются в результате проникания в грунт атмосферных осадков. Проходя через водонепроницаемые слои грун­та, вода удерживается водонепроницаемым слоем (водоупором), которым обычно служит глина, и течет по его склону. В водопроницае­мых слоях иногда встречаются прослойки гли­нистых грунтов, вследствие чего грунтовая во­да задерживается, образуя верховодку. Уро­вень грунтовых вод зависит от дождей, таяния снегов, изменения уровня воды в находящихся поблизости водоемах. Грунтовые воды, проса­чиваясь через различные слои грунтов и раст­воряя содержащиеся в них вещества и газы, образуют растворы, разрушительно действую­щие на материалы фундаментов. Такие грун­товые воды называются агрессивными. Сточ­ные воды промышленных предприятий, напри­мер химических заводов, также могут повы­шать агрессивность грунтовых вод. Степень агрессивности грунтовых вод устанавливается посредством химического анализа. Когда в грунте основания содержатся текучие воды со скоростями течения, при которых возможно размывание грунтов (что особенно важно при песчаных грунтах), принимаются меры защи­ты основания: дренаж, водопонижение, шпун­товые ограждения и др.

Основания зданий и сооружений выбирают на основе инженерно-геологических, гидрогео­логических изысканий и исследований грунтов. Цель исследования грунтов оснований — полу­чение данных об их геологическом строении. В состав исследований грунтов оснований вхо­дит определение физико-механических харак­теристик отдельных слоев лабораторными исследованиями образцов грунтов, определение степени влажности, уровня и состава грунто­вых вод и других данных, материалы которых служат основой для проектирования и для ус­тановления условий возведения и эксплуатации зданий и сооружений.

Исследование грунтов, проводимое при вы­боре площадки (участка) для строительства и на стадии разработки рабочих чертежей проек­та, — очень важный этап проектирования. От правильности выбора площадки и проведения исследований ее грунтовых условий в значи­тельной степени зависит стоимость устройства оснований зданий и сооружений и обеспечение их устойчивости в процессе эксплуатации.

Работа грунта под нагрузкой. Под дейст­вием нагрузки от фундаментов в грунтах осно­вания возникает давление, величина которого зависит от собственного веса грунта и от веса здания или сооружения. Давление от собствен­ного веса грунта, зависящее в свою очередь от объемного веса грунта и от глубины заложения фундамента, называется природным (быто­вым) давлением. Давление от веса здания или сооружения называется дополнительным дав­лением.

Под фундаментом грунт уплотняется. В пре­делах сжимаемой толщи грунта под давлением действующей нагрузки, а также в результате уменьшения объема пустот и перемещения ча­стиц грунта возникают деформации основания, вызывающие осадку* фундамента, а вместе с ним и здания или сооружения. Небольшие осадки, если они равномерны по периметр здания, безболезненно воспринимаются зда­ниями и сооружениями. Гораздо опаснее для зданий неравномерные осадки. По чувствительности к неравномерным осадкам наземные конструкции разделяются на малочувствительные и чувствительные.

Малочувствительны к неравномерным осадкам такие конструкции, которые проседают как одно пространственное целое равномерно или с креном. Таковы, например, дымовые трубы, водонапорные башни, рамные конструкции на сплошных фундаментных плитах. Малочувст­вительны к неравномерным осадкам также кон­струкции, элементы которых шарнирно связаны друг с другом (колонны со свободным опиранием ферм, балок и т. п.).

Чувствительными к неравномерным осад­кам называют конструкции, состоящие из жест­ко связанных между собой элементов, взаим-Ш>е смещение которых может вызвать в несу­щих конструкциях здания значительные дефор­мации или местные повреждения. К таким конструкциям относят крупнопанельные зда­ния с несущими поперечными стенами, рамы с жесткими узлами, бесшарнирные и двухшар-нирные арки, своды и т. п.

Предельные величины средних осадок осно­ваний зданий и сооружений не должны пре­вышать следующих величин в см:

Для крупнопанельных и крупноблоч­ных бескаркасных зданий – 8;

Для зданий с кирпичными и крупноблочными стенами – 8—10;

То же, со стенами, армированными железобетонными поясами – 15;

Для каркасных зданий – 10;

Если грунты основания в пределах сжимаемой толщи слабы (насыпные грунты, торфянистые, рыхлые пес­чаные и суглинистые грунты с большим содер­жанием органических остатков и т. п.), не об­ладают необходимой несущей способностью или от воздействия нагрузок от здания и со­оружения в них могут возникнуть значитель­ные неравномерные осадки, их искусственно укрепляют или применяют фундаменты, пере­дающие нагрузки на нижележащие прочные грунты. В этих же целях применяют свайные фундаменты. Выбор свайного основания или, способа укрепления грунтов производится технико-экономическим сопоставлением различ­ных вариантов устройства оснований и фунда­ментов.

В массовом гражданском строительстве, как правило, применяютискусственные основа­ния двух видов: основание, создаваемое уплотнением, и основание, создаваемое укреплением грунта. Грунты оснований уплотняют поверх­ностным трамбованием тяжелыми трамбовка­ми в виде усеченного конуса весом 1,5—3 т, поднимаемыми краном на высоту 3—4 м и сбрасываемыми на уплотняемую поверхность. Такой способ, применяемый при уплотнении насыпных и просадочных грунтов, носит назва­ние поверхностного. Глубинное уплотнение производят «грунтовыми сваями» — забивкой сердечника в виде деревянной конической сваи. Сердечником, вводимым в грунт, уплотняют его, а после извлечения сердечника образовав­шуюся скважину заполняют грунтом, грунто­бетоном или сухим песком. В этих же целях применяют «вибронабивные сваи», где грунт уплотняется стальными трубами с раскрываю­щимся наконечником. Заполнение скважины песком производится через трубу. При слабых грунтах часто заменяют их песчаными подуш­ками.

Песок укладывают слоями толщиной 150—200 мм и уплотняют трамбов­ками или поверхностными вибраторами с по­ливкой водой. Можно применять для этого грунтобетонные смеси и шлаки. Искусственное укрепление слабых грунтов выполняют цемен­тацией, термическим способом, химическим за­креплением или силикатизацией грунтов и др.

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 на 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.

Цементация грунтов осуществляется нагне­танием в грунт через забитые в него трубы це­ментной суспензии, цементно-глинистых рас­творов. Цементация применяется для укрепле­ния гравелистых, крупно- и среднезернистых песков, для заделки трещин и полостей в скальных грунтах

Силикатизация состоит в инъекции через трубы в грунт растворов жидкого стекла и хло­ристого кальция и применяется для укрепления песчаных пылеватых грунтов, плывунов и мак­ропористых грунтов. Инъекция делается на глубину 15—20 м и более, а радиус распрост­ранения силикатизации достигает 1 м.