ГЛАВА ПЯТАЯ
КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ
1. ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ А. ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ ОСНОВАНИЯ
Здания и сооружения покоятся на поверхностных слоях земли, называемых в строительной практике грунтами. Часть грунта, непосредственно воспринимающая нагрузку от здания, называется основанием. Основания зданий бывают двух видов — естественные и искусственные.
Грунты, обладающие в естественном состоянии необходимыми качествами,позволяющими воспринять нагрузку от сооружения, называются естественным основанием.
Грунты, не обладающие в естественном состоянии необходимыми качествами для восприятия нагрузки от здания или сооружения, подвергают искусственному уплотнению или укреплению. Такие основания называются искусственными.
Естественные основания должны удовлетворять следующим основным требованиям:
а) иметь достаточную несущую способность;
б) обладать небольшой и равномерной сжимаемостью;
в) быть устойчивыми к воздействию грунтовых вод, не подвергаться пучению при промерзании (на уровне подошвы фундамента) и пр.
Грунты, используемые в качестве естественных оснований зданий и сооружений, подразделяются на скальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые.
Скальные грунты представляют собой изверженные и осадочные породы с жесткой связью между зернами (спаянные, сцементированные), залегающие в виде сплошного массива или трещиноватого слоя, образующего подобие сухой кладки.
К скальным грунтам относятся граниты, известняки, кварциты, песчаники. Эти породы под нагрузкой от зданий и сооружений не сжимаются и являются наиболее прочными основаниями.
Крупнообломочные грунты состоят из несцементированных обломков кристаллических и осадочных пород с размерами частиц крупнее 2 мм в количестве более 50% по весу (щебень, галька, дресва, гравий).
Крупнообломочные грунты слабо сжимаются под нагрузкой, устойчивы против размыва водой и также являются надежным основанием для зданий и сооружений.
Песчаными называются сыпучие в сухом состоянии грунты, содержащие менее 50% по весу частиц крупнее 2 мм.
В зависимости от крупности частиц пески разделяются на гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые. Песчаные грунты по плотности их сложения (отношению объема пустот к объему массы частиц песка) разделяются на плотные, средней плотности и рыхлые. Увлажнение песчаных грунтов, особенно мелкозернистых и пылеватых песков, снижает их несущую способность. При наличии глинистых или илистых примесей водонасыщенные мелкозернистые и пылеватые пески легко переходят в текучее состояние (плывуны). Содержащаяся в порах мелкозернистых и пылеватых песков вода при отрицательных температурах наружного воздуха замерзает и расширяется, а грунт вспучивается. При пучении грунта могут произойти деформации фундаментов и всего здания, поэтому глубину заложения фундаментов, основанных на водонасыщенных мелкозернистых и пылеватых песках, принимают, как правило, не менее расчетной глубины промерзания грунта.
Песчаные грунты из гравелистых, крупных и средней крупности песков мало сжимаемы, скоро уплотняются под нагрузкой, благодаря чему осадка зданий, возведенных на этих грунтах, невелика и быстро прекращается.
Глинистые, связные грунты состоят из очень мелких частиц размером менее 0,005 мм, скрепленных между собой силами сцепления. В зависимости от количества содержащихся в грунте глинистых частиц глинистые грунты разделяются на супеси, суглинки и глины.
Рис. 5-1. Геологический профиль.
1 — насыпной грунт; 2 — растительный слой; 3 — супесь; 4 — суглинок; 5 — песок; ГГВ — горизонт грунтовых вод;
- абсолютная отметка устья скважины № 83;
51,66 и — абсолютная отметка верха песчаной толщи.
Сжимаемость глинистых грунтов больше, чем песчаных, а скорость уплотнения под нагрузкой меньше, поэтому осадка сооружений, возведенных на глинистых грунтах, продолжается длительное время.
Строительные свойства глинистых грунтов в значительной степени зависят от их влажности. В сухом и маловлажном состоянии глинистые грунты выдерживают довольно значительную нагрузку и являются хорошим основанием для зданий и сооружений. В водонасыщенном состоянии несущая способность глинистых грунтов значительно снижается.
Глинистые грунты обладают способностью удерживать в своих порах воду, при замерзании которой грунт вспучивается. Величина пучения грунта тем больше, чем меньше размер его зерен и чем больше влажность грунта. Эта способность глинистых грунтов учитывается при назначении глубины заложения фундаментов зданий и сооружений (как и при основаниях, сложенных из водонасыщенных мелкозернистых или пылеватых песков).
Глинистые грунты, обладающие в природном состоянии крупными порами в виде вертикальных трубочек (макропоры), называются лессами. При увлажнении макропористые, лессовидные грунты теряют связность (размокают) и при этом уплотняются, образуя просадки (интенсивно развивающиеся осадки). Поэтому макропористые лессовидные грунты называются просадочными. Для обеспечения прочности и устойчивости зданий и сооружений, возводимых на макропористых просадочных грунтах, должны выполняться специальные мероприятия по укреплению грунтов основания и предотвращению их замачивания.
Кроме перечисленных видов грунтов, существуют грунты с органическими примесями (растительный грунт, ил, торф) и насыпные грунты.
Грунты, содержащие органические примеси в количестве более 10%, неоднородны по своему составу, рыхлы и, как правило, в качестве естественных оснований непригодны. Насыпные грунты, образованные при засыпке оврагов, мест свалок, прудов, также неоднородны по своему составу и обладают свойством неравномерной сжимаемости. Плотность насыпных грунтов часто зависит от возраста насыпи. Возможность использования насыпных грунтов в качестве основания определяется в каждом отдельном случае в зависимости от характера грунтов, возраста насыпки, а также назначения и конструкции возводимого сооружения.
Исследование свойств грунтов при выборе основания для здания или сооружения производится путем бурения скважины или шурфования. Отобранные из скважин или шурфов образцы грунта исследуются в лаборатории.
В результате полевых и лабораторных исследований определяются геологическое строение грунтов, характер расположения пластов грунта, их мощность, физические и механические свойства грунта, уровень и химические свойства грунтовых вод.
По образцам грунтов, отобранным при бурении скважин, составляют вертикальные разрезы грунтового массива, называемые геологическими профилями (рис. 5-1). Геологические профили вместе с данными полевых и лабораторных исследований грунтов служат исходным материалом для определения несущей способности и деформативности основания.
Естественные основания зданий и сооружений в соответствии с нормами (СНиП II-Б.1-62) рассчитываются по следующим предельным состояниям:
а) по деформациям для всех зданий и сооружений, если основание сложено нескальными грунтами;
б) по несущей способности, если на основание передаются регулярно действующие горизонтальные нагрузки (подпорные стенки и др.), если основания ограничены откосами или сложены скальными грунтами.
Под действием нагрузки от здания в грунтах основания возникает дополнительное давление (кроме давления от собственного веса грунта, (называемого бытовым), вызывающее деформацию грунта.
Наибольшей величины это давление достигает под подошвой фундамента. Под влиянием дополнительного давления частицы грунта смещаются, уменьшается объем пустот, грунт сжимается, в результате чего происходит осадка здания или сооружения.
Задачей расчета оснований по деформациям является определение величины вероятных осадок основания. Полученные в результате расчета величины деформаций оснований к, следовательно, деформаций надфундаментных конструкций должны находиться в таких пределах, которые гарантируют от появления недопустимых для нормальной эксплуатации конструкций трещин и повреждений.
Если грунты основания обладают равномерной сжимаемостью и осадки здания или сооружения равномерны на всей протяженности, то даже значительные по абсолютным величинам осадки не вызывают опасных деформаций конструкций сооружения.
Нормами установлены предельные величины абсолютных и средних осадок оснований фундаментов зданий и сооружений. В качестве примера ниже приведены величины некоторых предельных средних осадок (см) для различных сооружений:
Для крупнопанельных и крупноблочных бескаркасных зданий 8
Для зданий с кирпичными стенами . . 8—10 Для зданий с каркасом по полной
схеме.................................................................... 10
Для сооружений со сплошным железобетонным фундаментом 30
Более опасными являются неравномерные осадки основания, особенно для зданий и сооружений, конструкции которых состоят из жестко связанных между собой элементов (крупнопанельных и крупноблочных зданий, рамных конструкций с жесткими узлами, бесшарнирных и двухшарнирных арок, сводов и т. д.). Менее чувствительны к неравномерным осадкам конструкции, состоящие из элементов, шарнирно связанных между собой, благодаря чему при неравномерной осадке в них не возникают дополнительные усилия.
Предусмотренные нормами для различных конструкций зданий предельно допустимые разности осадок фундаментов колонн (перекос) не должны превышать 0,0007-l—0,005-l, где l — расстояние между осями фундаментов. Для высоких жестких сооружений (таких как дымовые трубы, водонапорные башни), основанных на сплошных или кольцевых фундаментах, крен (разность осадок двух противоположных сторон фундамента, отнесенная к расстоянию между ними) не должен превышать 0,004.
Назначение предварительных размеров фундаментов зданий и сооружений производится по нормативным давлениям. Под нормативным давлением на основание понимается среднее давление по подошве фундамента, выраженное в килограммах и приходящееся на 1 см2 площади основания, при котором получается осадка, приемлемая по величине для данного здания.
Приведенные в строительных нормах и правилах значения нормативных давлений на грунты основания условно даны в предположении, что ширина подошвы фундамента равна 0,6—1,0 м, глубина заложения — от 1,0 до 2,5 м, и выражаются следующими величинами:
Для крупнообломочных
грунтов................................................. 6,0—3,0 кг/см2
Для песчаных грунтов . . .4,5—1,0
Для глинистых грунтов . . . 3,0—1,0
При уменьшении ширины или глубины заложения подошвы фундамента в значения нормативных давлений вносятся соответствующие поправки.
Для зданий и сооружений III и IV классов при наличии благоприятных геологических условий расчет оснований допускается производить по нормативным давлениям на грунты без проверки осадок.
Искусственные основания создаются при недостаточной несущей способности естественного основания путем уплотнения, закрепления слабого грунта или путем устройства свайного основания.
Уплотнение грунта основания производится тяжелыми трамбовками весом до 5 т, сбрасываемыми с высоты 3—4 м на предварительно слегка увлажненный грунт. Таким способом уплотняют насыпные, макропористые и лессовидные просадочные грунты.
Песчаные и пылеватые грунты уплотняются вибрацией поверхностными вибраторами.
Закрепление слабого грунта основания производится термическим способом либо цементацией, силикатизацией и др.
Термическое укрепление (обжиг) грунта осуществляется нагнетанием в скважины диаметром 10—20 см горячего воздуха с температурой 600—800° С или сжиганием различного вида топлива (нефти, солярового масла, горючих газов) непосредственно в скважине. Макропористые просадочные грунты могут быть закреплены таким способом на глубину 10—15 м. Термически закрепленные лессовидные грунты становятся непросадочными, а слабые и очень пористые суглинки приобретают повышенную прочность. Водонасыщенные грунты ниже уровня грунтовых вод не поддаются термическому укреплению.
Цементацию осуществляют нагнетанием в грунт через инъекторы (перфорированные трубы диаметром 19—38 мм) жидкого цементного раствора или цементного молока. В пределах распространения раствора происходит окаменение грунта. Таким способом закрепляются рыхлые среднезернистые и крупнозернистые пески.
В связных грунтах цементацию осуществить не удается из-за малого размера пор, в которые не могут проникнуть частицы цемента.
Силикатизация применяется для закрепления песков, в том числе и пылеватых, плывунов и лессовидных грунтов. Сухие и водонасыщенные песчаные грунты закрепляются поочередным нагнетанием в грунт растворов силиката натрия (жидкого стекла) и хлористого кальция. При этом происходит химическая реакция, приводящая к образованию нерастворимых соединений, повышающих прочность грунта. Нагнетание раствора производится таким же способом, как и при цементации грунта. Для закрепления плывунных грунтов нагнетают раствор, состоящий из жидкого стекла и фосфорной кислоты; лессы и лессовидные суглинки закрепляют одним жидким стеклом. В тех случаях, когда уплотнение или закрепление грунта осуществить затруднительно, производят замену слоя слабого грунта более прочным в виде песчаной подушки. Песчаная подушка, передавая нагрузку от фундамента на находящиеся ниже слои грунта, распределяет давление на большую площадь и уменьшает за счет этого его величину. Песчаные подушки отсыпают слоями толщиной 20 см из крупно- или среднезернистых песков, поливают водой и уплотняют механическими трамбовками или вибраторами.
