Фундаменты на естественном основании различаются: по конструкции - на отдельные, ленточные, сплошные и массивные; по материалу - на бетонные и железобетонные (сборные и монолитные), кирпичные, бутовые, из пиленого камня и др.; по назначению - на фундаменты под здания (жилые, промышленные и т. п.), сооружения, оборудование.
Отдельные фундаменты представляют собой столбы с развитой опорной частью, передающие на грунт сосредоточенные нагрузки от колонн, углов зданий, опор рам, балок, ферм, арок и других элементов. Для установки колонн в верхней части отдельных фундаментов устраиваются углубления - «стаканы». Такие фундаменты принято называть отдельными стаканного типа.
Ленточные фундаменты применяются для передачи нагрузки от протяженных элементов строительных конструкций - стен зданий, сооружений, опорных рам оборудования и т.п. По расположению в плане они различаются на перекрещивающиеся и параллельные.
Сплошные фундаменты сооружаются под всей площадью здания. По конструктивным решениям они разделяются на плитные и коробчатые. Плитные фундаменты в свою очередь могут быть ребристыми (кессонными) и гладкими.
Массивные фундаменты устраиваются под башни, мачты, колонны, тяжело нагруженные опоры искусственных сооружений (мостовые опоры), под машины, станки и другое оборудование.
Классификация фундаментов на естественном основании по конструкции приведена на рис. IV-1, а по применяемым материалам - в табл. IV-1.
Рис. IV-1.
Таблица IV-1
Классификация фундаментов на естественном основании по применяемым материалам
| Тип фундамента | Материал | ||||
| бетон и железобетон | бут | кирпич | пиленый камень | ||
| сборный | монолитный | ||||
|
1. Отдельные: Бесстаканные Стаканные 2. Ленточный 3. Сплошной 4. Массивный |
+ + + – – |
+ + + + + |
+ – + – + |
+ – + – + |
+ – + – + |
| Примечание. Знаком + отмечены материалы, применяемые для перечисленных фундаментов. | |||||
Естественные основания - это грунты или скальные породы, находящиеся в условиях их природного залегания и воспринимающие нагрузку от фундаментов.
Выбор строительной площадки под здание или сооружение определяется в первую очередь геологическими и гидрогеологическими условиями основания. При этом устанавливают характер напластований грунтов и толщину каждого слоя, их физико-механические свойства, уровень грунтовых вод, возможность размывов и т. п.
Грунты исследуют, при помощи бурения или шурфования. Бурение дает возможность взять пробу грунта с различной глубины. Образцы отбираются не реже чем через каждые 0,5 м по высоте. Это наиболее быстрый и простой способ геологической разведки основания.
Шурфование позволяет непосредственно осмотреть грунт в естественных условиях и испытать его на образцах значительных размеров с ненарушенной структурой. Шурфы представляют собой колодцы прямоугольного сечения, вырытые на различную глубину.
Для получения геологического профиля определенного грунтового участка границы однородных, слоев, которые обнаружены в шурфах или скважинах, расположенных по одной оси, соединяют между собой. Несколько таких вертикальных разрезов дают представление о геологическом строении данного грунтового массива.
Расчет основания заключается в ограничении деформаций конструкций зданий, определяемых величиной нагрузки, которую называют расчетным сопротивлением основания. Эта нагрузка должна соответствовать такой осадке основания, при которой деформации, возникающие в конструкциях здания или сооружения, не превышают допустимых для их нормальной эксплуатации.
Осадка основания под фундаментом зависит от соотношения между нагрузкой на грунт и его деформацией, а, также от распределения давления в грунте. Подошва фундамента, передавая нагрузку на основание, вызывает в нем соответствующие напряжения. С возрастанием глубины эти напряжения распространяются на все большие объемы грунта, но величина их уменьшается. Если рассматривать горизонтальную плоскость, то напряжения в ней распределяются неравномерно. Их наибольшая величина наблюдается в центре приложения нагрузки с постепенным уменьшением к периферии (рис. 53).
Распределение давления зависит от формы фундамента в плане. Под ленточным фундаментом давление в грунте с глубиной будет уменьшаться значительно меньше, чем под квадратным, где оно распространяется сразу равномерно в четыре стороны, а не в две, как под ленточным фундаментом. Например, на глубине 1 м величина среднего давления в грунте под ленточным фундаментом будет равна 0,55 р, а под квадратным фундаментом 0,34 р на глубине 2 и 3 м соответственно 0,31 р и 0,21 р, 0,11 р и 0,06 р (р - величина среднего давления в грунте под подошвой фундамента).
Расчетные сопротивления грунта при глубине заложения фундамента от 1,5 до 2 м
и ширине фундамента 0,6-1 м
установлены следующие:
глинистые грунты - от 1 до 6 кг/см 2
(в зависимости от пористости и влажности);
Рис. 53 График давления в грунтах
Пески - от 1 до 4,5 кг/см 2
(в зависимости от крупности частиц, влажности и плотности);
- крупнообломочные грунты - от 3 до 6 кг/см 2 ;
- скальные породы – 1/6 от предела прочности скалы на сжатие (независимо от размеров и глубины заложения фундамента).
При глубине заложения фундамента менее 1,5 м расчетное сопротивление уменьшают, а при более 2 м - повышают, так как грунты с увеличением глубины заложения под влиянием веса вышележащих слоев становятся более плотными.
Кроме того, при ширине фундамента менее 0,6 м расчетное сопротивление грунта должно быть уменьшено, а при более 1 м - повышено.
Фундаменты на естественном основании. Область применения, конструктивные особенности, классификация. Инженерно-геологические изыскания и их оценка. Принципы проектирования.
Фундаменты – это подземная или подводная часть сооружения, воспринимающая нагрузки от вышерасположенных конструкций и передающая их на основания.
Фундаменты можно разделить на разновидности: фундаменты мелкого заложения на естественном основании, свайные фундаменты и фундаменты глубокого заложения .
Фундаменты мелкого заложения на естественных основаниях.
Фундаменты мелкого заложения на естественных основаниях называют такие фундаменты, которые сооружают в открытых котлованах глубиной не менее 5-6 м. Основное требование к фундаментам - их достаточная прочность , долговечность , морозостойкость , стойкость против агрессивного воздействия подземных вод .
Фундамент должен иметь такие размеры, чтобы среднее давление по подошве (под подошвой) фундамента не превосходило расчетного сопротивления грунта основания. Кроме того, расчетные значения абсолютных осадок и разностей осадок между отдельными фундаментами одного сооружения не должны превосходить установленных нормами проектирования предельных значений.
Для устройства фундаментов используют железобетон , бетон , бутобетон , бутовую кладку , иногда – цементогрунт .
Разновидности фундаментов мелкого заложения:
1) отдельные фундаменты под колонны в сочетании с фундаментными балками (рандбалками);
2) столбчатые фундаменты под кирпичные стены ;
3) ленточные фундаменты под кирпичные стены (непрерывные);
4) ленточные фундаментыпод колонны ;
5) фундаменты из перекрестных лент под колонны ;
6) фундаменты в виде сплошной плиты ;
7) массивные фундаменты.
1). Отдельные фундаменты под колонны в сочетании с фундаментными балками (рандбалками) применяются обычно в промышленных зданиях при не слишком больших нагрузках на грунт, достаточно прочных имало сжимаемых грунтах, гибкой схеме работы надземной части здания, когда колонна и ригели или колонна и ферма соединены шарнирно.
Различаются способом крепления фундамента с колонной.
Чаще всего:
а) замоноличивание (мелкие колонны) (рисунок 1:1).
Рисунок 1.1. 1 – бетон на мелком заполнителе не ниже класса бетона самого фундамента (не ниже В20); 2 – стакан;
б) большие колонны – без стакана, жесткий стык – сварка и стык замоноличивается бетоном.
Рисунок 1.2.
2). Отдельные фундаменты под кирпичную стену (бесстаканные , столбчатые ). Применяются для малоэтажных зданий, при хороших грунтовых условиях, как правило, для частного индивидуального строительства.
Рисунок 1.3. Отдельный фундамент под кирпичную стену (бесстаканный, столбчатый)
Рисунок 1.4. Поперечные сечения столбчатых фундаментов
3). Ленточные фундаменты под кирпичные стены .
Ленточные фундаменты иногда называют непрерывными. Применяются при равномерной нагрузке от стен на грунт и постоянных вдоль стены грунтовых условиях (условие плоской деформации (l/b ≥ 10).
Изменение размеров глубины заложения возможно только на отдельных участках ограниченной длины. Участки, имеющие разные размеры фундаментов, отделяются осадочными швами .
Применяются при значительных нагрузках и достаточно слабых грунтах. Несущественно изменяют жесткость сооружения. Почти не работают на изгиб в продольном направлении (при большой жесткости стен).
Рисунок 1.5. Сборный ленточный фундамент под стену
Рисунок 1.6. Ленточные фундаменты:
а - монолитный; б - сборный сплошной; в - сборный прерывистый;
1- армированная лента; 2 - фундаментная стена; 3 - стена здания; 4- фундаментная подушка; 5 - стеновой блок
Рисунок 1.8. Конструкции фундаментных плит:
а - сплошная; б - ребристая; в – с угловыми вырезами
4) Ленточные фундаментыпод колонны .
Применяются при шаге колонн не более 6 м и при наличии слабых грунтов.
Уменьшают неравномерности осадки отдельных колонн.
5) Перекрёстные ленточные фундаменты под колонны. Применяется при малом шаге колонн, при больших нагрузках и слабых грунтах. Перекрестные ленты позволяют выравнивать осадку не только отдельных колонн в ряду, но и здания в целом.
Рисунок 1.9. Перекрёстные ленточные фундаменты под колонны
6). Сплошной плитный (гладкий) фундамент. Фундаменты в виде сплошной плиты, как под колонны, так и под кирпичные стены устраивают под всем сооружением или его частью в виде железобетонных плит под сетку колонн и стен. Такие фундаменты работают на изгиб в двух взаимно перпендикулярных направлениях, имеют небольшую равномерную осадку, им не страшно подтопление поверхностными водами, а также они защищают подвальные части здания. Размеры таких фундаментов обусловлены размерами сооружения в плане.
Рисунок 1.10. Сплошной плитный (гладкий) фундамент под колонны
Рисунок 1.11. Сплошной плитный (гладкий) фундамент
Рисунок 1.12. Фундамент в виде сплошной плиты
Рисунок 1.13. Плитные фундаменты со сборными стаканами
Рисунок 1.14. Плитный фундамент с монолитными стаканами
Рисунок 1.15. Плитный ребристый фундамент
Рисунок 1.16. Сплошной фундамент под группу колонн
Рисунок 1.17. Сплошной коробчатый фундамент
7) Массивные фундаменты - это фундаменты массивных сооружений с массивной подземной частью (фундаменты плотин, мостовых опор, доменных печей, дымовых труб, под машинное оборудование с динамическими нагрузками). Они создают большую инерцию, препятствуют колебаниям, уменьшают амплитуду, скорость, ускорение колебаний и т.д.
Рисунок 1.18. Массивный фундамент под доменную печь
Рисунок 1.19.Фундамент доменной плиты
Рисунок 1.20. Основания под печи, располагаемые в нижнем этаже здания:
а - у каменных стен здания; б - в проемах стен на уширении их фундаментов 1 - печь; 2 - гидроизоляция; 3 - предтопочный стальной лист; 4 - деревянный пол; 5 - кирпичный бутовый или бетонный фундамент; 6 - песок; 7 - открытая отступка; 8 - кирпичная стена; 9 - заделка раствором; 10 - перемычки стены; 11 - глухая разделка толщиной в полкирпича
По способу устройства фундаментов в котловане различают монолитные и сборные .
К группе фундаментов на естественном основании относятся ленточные, столбчатые и плитные фундаменты. Глубина заложения таких конструкций определяется в первую очередь физико-механическими свойствами грунта и действующими на них нагрузками. Также влияют конструктивные особенности сооружения такие как: наличие или отсутствие подвала, высота расположения пола первого этажа относительно уровня земли и другие. Как правило, конструкция фундамента выполнена из железобетона. Она может быть монолитной, изготавливаемой непосредственно на строительной площадке из товарного бетона, или сборной, изготавливаемой из стандартных элементов, которые в свою очередь изготовлены на заводе железобетонных конструкций. Отличие составляют плитные фундаменты, которые изготавливаются только монолитными, за редким исключением.
Плитный фундамент
Плитные фундаменты (сплошная плита под всем зданием) у простого обывателя вызывают «уважение». Кажется, что они очень надежные и вместе с тем дорогостоящие из-за большого объема бетона. По поводу надежности и универсальности применения плитных фундаментов сказать ничего нельзя, это действительно так. Особенно если в доме предусмотрен подвал или цокольный этаж. А вот по поводу большого объема бетона и, соответственно, дороговизны – тут можно поспорить. В настоящее время разработаны целые системы опалубок, которые позволяют создавать пустоты в теле плиты. Пустоты в теле плиты, в так называемом «нейтральном» слое, ничуть не ухудшают прочностных и деформационных характеристик конструкции, а при этом позволяют «сэкономить» до сорока процентов объема бетона. Также разработаны системы опалубок, позволяющие создавать ребристые фундаментные плиты, ребра плиты направлены в низ. В таких плитах, по сравнению со сплошными конструкциями, возможно «сэкономить» шестьдесят и более процентов бетона. Правда, стоит отметить, такие конструкции не рассчитаны на большие нагрузки. Не из-за прочности самой ребристой плиты, а из-за того, что при такой конструкции и высоких нагрузках возрастают деформации грунта основания под плитой (осадка). Выше указанные конструкции являются «идеальными» для малоэтажного строительства, когда нет необходимости строить выше трех–четырех надземных этажей. Мало того,. что они вполне сопоставимы по объему бетона с ленточными фундаментами, они позволяют избежать попадание радона (инертный газ, выделяемый из грунта) в здание. Этим «не может похвастаться» ни один тип фундамента с полом подвала, устраиваемым по грунту. Разумеется, данное решение весьма высокотехнологичное и требует тщательной проработки проекта и, соответственно, грамотного исполнения. Некоторым «особо опытным» строителям оно придется не по вкусу.
Ленточный фундамент
Ленточные фундаменты выполняются, когда здание запроектировано с несущими стенами. Большинство малоэтажных построек и некоторые многоэтажные здания выполняются с несущими стенами. В высотном строительстве, как правило, несущим является каркас. Размеры ленточных фундаментов и глубина их заложения зависят от физико-механических свойств грунтов и действующих нагрузок. Для небольших объемов строительства или при отсутствии возможности использовать сборные железобетонные элементы, выполняются монолитные ленточные фундаменты. Они просты в исполнении, достаточно дешевы и не требуют особой квалификации от исполнителя. При большом объеме строительства и наличии возможности, ленточные фундаменты выполняются из сборных железобетонных элементов. Сроки изготовления таких фундаментов существенно меньше, чем в монолитном исполнении. Кроме того, их можно выполнять и при отрицательных температурах наружного воздуха, без специальных дополнительных мероприятий. В строительных нормах и правилах нет никаких ограничений по возможности применения ленточных фундаментов. Единственным ограничением может быть экономическая целесообразность. При «плохих» физико-механических свойствах грунта и больших нагрузках, ленточные фундаменты могут оказаться весьма дорогими. Для «специфических» грунтовых условий, а именно: просадочные свойства грунта, возможность морозного пучения, карстовые явления и так далее, необходима тщательная проработка проектных решений ленточных фундаментов. В целом, ленточные фундаменты «конкурентоспособны» при обычных грунтовых условиях и небольших нагрузках.
Столбчатый фундамент
В случае, когда сооружение выполнено в каркасной конструктивной системе и имеются «хорошие» грунтовые условия, применяются так называемые столбчатые фундаменты. Каркасная конструктивная схема (колонны и балки) применяется не только для высотных зданий. В каркасной конструктивной системе выполняют практически любые объекты при подтверждении экономической целесообразности. Столбчатый фундамент представляет собой плиту небольших размеров непосредственно под колонну каркаса. Столбчатые фундаменты также как и ленточные, могут выполняться либо монолитными, либо сборными. Критерием выбора также служит наличие возможности и объемы строительства. Пожалуй единственным недостатком столбчатых фундаментов является то, что их нельзя применять в «плохих» грунтовых условиях. Весьма эффективно применение столбчатых фундаментов на грунтах с искусственно измененными физико-механическими характеристиками. В данном случае они будут относиться к группе фундаментов на искусственном основании.
Прочность и устойчивость любого сооружения обеспечивается, прежде всего, прочностью и устойчивостью фундамента, который должен быть заложен на надежном основании.
Основанием называется толща естественных напластований грунтов, непосредственно воспринимающая нагрузку и взаимодействующая с фундаментом возводимого сооружения.
Основания называют естественными , если грунты под подошвой фундамента остаются в естественном состоянии. В случае недостаточной прочности грунтов принимают меры по искусственному их упрочнению. Такие основания называют искусственными . Естественным основанием
могут служить самые разнообразные грунты, слагающие верхнюю часть земной коры. Естественные грунты, используемые в качестве естественных оснований, подразделяют на четыре вида: скальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые.
Несущая способность глинистого грунта в большой степени зависит от влажности. Несущая способность сухих глин довольно высокая и такие грунты могут служить хорошим основанием, при увеличении влажности их несущая способность значительно падает.
Супеси и мелкозернистые пески при разжижении водой становятся я настолько подвижными, что текут, как жидкость, и называются плывунами.
Возведение зданий на таких грунтах связано со значительными трудностями.
К глинистым грунтам относятся также лёссы , которые при замачивании водой обладают просадочными свойствами или набухают. Использование так их грунтов в качестве оснований требует применения специальных мер.
Помимо перечисленных видов встречаются также грунты с органическими примесями (растительный грунт, торф, болотистый грунт и др.), многолетнемерзлые и насыпные грунты. Грунты с органическими примесями в качестве естественных оснований не применяют, так как они неоднородны по своему составу, рыхлы, обладают значительной и неравномерной сжимаемостью. Насыпные грунты также неоднородны по составу и сжимаемости и их использование в качестве оснований требует особых обоснований.
Упрочнение грунтов путем поверхностного ил и глубинного их уплот- нения осуществляется трамбованием пневматическими трамбовками с втрамбовыванием щебня ил и гравия. Уплотнение трамбовочными плитам и массой 1 т и более, которые сбрасывают с высоты 3–4 м, доходит до глубины 2–2,5 м. Для уплотнения больших площадей применяют укатку грунта тяжелыми катками.
Песчаные и пылеватые грунты хорошо уплотняют вибрированием специальным и поверхностными вибраторам и, такое уплотнение осуществляется значительно быстрее, чем при трамбовании.
Глубинное уплотнение грунта осуществляют применением песчаных или грунтовых свай. Предварительно вибропогружателем вводят в грунт инвентарные стальные трубы диаметром 400–500 мм с остроконечным раскрывающимся стальным башмаком на конце. Погруженные на необходимую глубину трубы заполняют песком и затем извлекают с вибрированием. При таком извлечении песок уплотняется и хорошо заполняет скважину.
Закрепление слабого грунта основания (его упрочнение) достигается также применением тампонажа (цементации, силикатизации и битумизации).
Фундаментом (рис. 1.1) называется подземная часть сооружения, возводимая на естественных ил и искусственных основаниях и служащая для передач и нагрузок от сооружений на основания. Конструктивная форма фундамента позволяет обеспечить бол ее равномерное распределение давления от сооружения на грунт.
Верхняя граница между фундаментом и наземной частью сооружения так же, как и границы между отдельным и уступами фундамента, называется обрезом фундамента . Нижняя плоскость фундамента, опирающаяся на грунт, называется подошвой фундамента. Расстояние от уровня земли около законченного здания (отметка планировки) до подошвы называется глубиной заложения фундамента.
