Общие сведения об основаниях и фундаментах

Определение понятия "основание". Виды оснований и требования к ним. Грунты, используемые в качестве естественных оснований. Способы получения искусственных оснований: • цементация, • битумизация, • силикатизация; • использование песчаных свай; • механические способы. } } } Основанием называют толщу массивных грунтов, на которых возводят сооружения. Основания воспринимают от сооружений нагрузку и в свою очередь оказывают влияние на их прочность, устойчивость и нормальную эксплуатацию. Грунты обладают большой сжимаемостью и малой прочностью, что учитывается при возведении на них сооружений. Грунтовые основания делятся на естественные и искусственно улучшенные. } Основание, состоящее из одного грунта, называют однородным, а из нескольких пластов – слоистым. Слой, на котором возводят фундамент, называют несущим, а слои расположенные ниже – подстилающими. Прочность основания обусловливается прочностью несущего и подстилающего слоя грунта. } } Фундаментом называют подземную часть сооружения, расположенную ниже поверхности земли, которая воспринимает нагрузку от подземной части, надземной части и передает ее на основание. Объем грунта, который воспринимает нагрузку от фундамента и при этом деформируется, является рабочей частью основания. Этот объем непостоянен. Он зависит от условий нагружения, размеров и формы площади, через которую передаются нагрузки, свойств грунтов. } } Фундаменты делятся на фундаменты глубокого и неглубокого заложения. В основу положена особенность возведения, условия работы и передачи нагрузки на основание. Неглубокими называются фундаменты, возводимые в открытых котлованах; они окружены насыпным грунтом (засыпка пазух) и практически передают нагрузку на основание только по подошве. } Глубокими называют конструкции фундаментов, формируемые или погружаемые в грунт с поверхности земли или неглубокого котлована с помощью специальных приспособлений и устройств. Они защемлены в грунте и передают нагрузку на основание по подошве и частично, за счет трения, по боковой поверхности. } } 1. Оценка инженерно-геологических условий строительной площадки. Рассматривается общее строение площадки, характер напластований грунтов и их возраст, течение геологических процессов, их влияние на деформируемость и устойчивость грунтов; уточняется уровень грунтовых вод, их сезонное и многолетнее колебание, агрессивность воды по отношению к строительным материалам. } } 2.Ознакомление с проектируемым зданием или сооружением. Выявляются особенности здания и сооружения; уточняются размеры, материал основных конструкций и элементов, конструктивные и расчетные схемы; анализируется жесткость принятых конструкций, возможные деформации отдельных частей и элементов при осадке грунтов основания; устанавливаются характер и допустимые предельные деформации конструкций. } 3.Определение нагрузок, действующих на основание в результате статического расчета строительных конструкций или сбора нагрузок от элементов и конструкций, которые опираются на рассчитываемый фундамент. При расчете по двум предельным состояниям уточняются невыгодные условия загружения для каждого состояния и принимаются соответствующие расчетные коэффициенты. Нагрузки, в зависимости от расчетной схемы, суммируются на уровне спланированной отметки земля или подошвы фундамента. } 4.Предварительный выбор конструкции и основных размеров фундамента (глубина заложения, размеры и форма подошвы) в зависимости от назначения и конструкции надземных частей зданий и сооружений, инженерно-геологический условий строительной площадки, условий производства работ. } } 5.Проверочные расчеты оснований по деформациям. Для принятых размеров фундамента и сочетаний нагрузок определяют осадку оснований и сопоставляют ее с допустимыми деформациями конструкций; при необходимости изменяют размеры или выбирают более рациональный тип фундамента. } } 6. Проверочные расчеты оснований вместе с сооружением на устойчивость и в случае необходимости, отдельных его конструкций. 7.Установление окончательных размеров фундамента, удовлетворяющим двум группам предельных состояний оснований; расчет и конструирование фундамента. } } Типы фундаментов и область их применения. Фундаменты мелкого заложения сооружают в котлованах, отрытых на проектную глубину. В зависимости от конструктивных особенностей фундаменты мелкого заложения подразделяют на ленточные и плитные. } В свою очередь фундаменты указанных типов могут быть монолитными, изготовляемыми полностью на месте постройки (в котловане), и сборными, монтируемыми из бетонных или железобетонных блоков, изготовленных на заводе или полигоне, и устанавливаемыми кранами в готовом виде на место. Промежуточное положение занимают сборномонолитные конструкции, состоящие из сборных элементов, омоноличиваемых на месте постройки бетоном. Типы фундаментов: а — ленточный; б — фундамент плита; в — массивный столбчатый; 1 — фундамент; 2— подпорная стена; 3 — колонна; 4 — тело опоры } Фундаменты каждого типа имеют свою область рационального применения. Ленточные фундаменты, длина которых значительно превышает их ширину, возводят под стены зданий, подпорные стены, водопропускные трубы под насыпями автомобильных и железных дорог и т. п. Сплошные фундаменты в виде железобетонной плиты устраивают под всем зданием,сооружением,под группой опор. 1.Фундамент в виде плиты имеет мало отличающиеся длину и ширину и в несколько раз меньшую высоту. 2. Фундамент, длина и ширина которого примерно одинаковы, а высота больше ширины или лишь немного меньше ее, называют массивным. } Чаще всего массивные фундаменты применяют под отдельно стоящие значительно нагруженные опоры или сооружения, например, опоры мостов (рис. в), несущие колонны промышленных зданий и т. п. } } Перед проектированием основания изучается конструктивная и расчетная схема сооружения, устанавливается характер и предельные значения возможных деформаций. При равномерных осадках основания подошва сплошного массивного сооружения или фундаменты отдельных конструкций в любой момент времени опускаются на одинаковую величину. } } } Виды свайных фундаментов: сваи-стойки, висячие сваи, низкие и высокие свайные ростверки. Расположение свай в плане ростверка, заделка свай в ростверке, определение его размеров. Деревянные, бетонные, железобетонные и металлические сваи. Сваи по способу погружения: забивные, буровые и винтовые. Железобетонные цилиндрические оболочки. Увеличение несущей способности свай и оболочек устройством уширения. Способы образования уширения: камуфлетирование, уширение специальным агрегатом-уширителем, втрамбовывание бетона или щебня в основание оболочки. } } } } При действии на опору больших сил и наличии в основании слабых грунтов устраивают фундаменты глубокого заложения или усиливают основание. Фундаменты глубокого заложения можно разделить на две большие группы: 1.Свайные и столбчатые фундаменты 2.Массивные фундаменты. Первая группа: свайные, столбчатые и фундаменты-оболочки. Вторая группа: фундаменты на опускных колодцах и кессонах, фундаменты, сооружаемые методом «стена в грунте». Свайный фундамент состоит из несущих элементов – сваи и ростверка. Ростверк объединяет сваи в одну конструкцию и распределяет на них нагрузку от сооружения. План свайного поля } Столбчатый фундамент по сравнению со свайным имеет большие размеры несущих элементов – столбов. } Массивный фундамент глубокого заложения отличается от свайного и столбчатого конструкцией, большими размерами, особенностями погружения. Кессоны } } } } } Сваи забивные железобетонные, металлические и деревянные, погружаемые в грунт с помощью молота, вибропогружателей и вибровдавливающих агрегатов. Сваи-оболочки железобетонные. Сваи набивные бетонные и железобетонные, устраиваемые в грунте на месте. Сваи буроопускные железобетонные, устраиваемые из готовых железобетонных элементов, погружаемых в заранее пробуренные в грунте скважины. Сваи винтовые со стальным или железобетонным стволом. } } При забивных сваях грунт вокруг сваи и в ее основании уплотняется. При набивных сваях грунт, окружающий сваю, либо остается в естественном состоянии, либо степень его плотности его нарушается. Буронабивные сваи } } } Сваи в зависимости от свойств грунтов, залегающих под нижним концом, подразделяются на сваи-стойки и висячие сваи. К сваям-стойкам относятся сваи всех видов и сваи-оболочки, которые передают нагрузку нижним концом на практически несжимаемые грунты. К висячим сваям относятся сваи всех видов и сваи-оболочки, погруженные в сжимаемые грунты. } } } } Забивные железобетонные сваи и сваиоболочки подразделяются : По способу армирования (ненапрягаемая продольная арматура, предварительнонапряженная со стержневой или проволочной продольной арматурой и т.д.). По форме поперечного сечения – квадратные, прямоугольные, квадратные с круглой полостью, и полые круглые до 800мм в диаметре и сваи-оболочки более 800мм в диаметре. По форме продольного сечения – призматические, пирамидальные, ромбовидные. Круглое, квадратное, армированное, неармированное По конструктивным особенностям ствола – цельные и составные. } По конструкции нижнего конца с заостренным или плоским нижним концом, с уширением, полые. } } Сваи набивные с камуфлетной пятой – изготавливаются путем забивки полых круглых свай, оборудованных в нижней части стальным полым наконечником с закрытым концом, с последующим заполнением полости свай и наконечника бетонной смесью и устройством с помощью взрыва уширенной пяты (камуфлета) в пределах наконечника. Свайный фундамент (ростверк-сваи-грунт в межсвайном пространстве) рассматривают как массивную конструкцию, в которой весь фундамент и входящие в него элементы должны быть равнопрочными. } Свайные фундаменты могут быть в виде: 1.Одиночных свай-оболочек и опор под отдельные конструкции. 2.Лент под стены зданий и сооружений со сваями, расположенными в один, два и более рядов в линейном и шахматном порядке. } 3.Кустов под колонны, столбы и отдельные конструкции с ростверками квадратной, прямоугольной, трапецеидальной и других форм. 4.Свайного поля со сваями по всей площади. } } Ростверк – горизонтальная часть свайностолбчатого фундамента, соединяет отдельные сваи (столбы) в единую конструкцию. Его задача – равномерно распределить и передать со стен нагрузку на сваи и затем на грунт, зафиксировав положение свай и не позволяя им в дальнейшем отклоняться от вертикали. Сам ростверк на грунте не лежит и на грунт не давит. В этом его отличие от ленточного (ленточностолбчатого) фундамента. } } } Сборный ростверк, например из стальных балок (швеллера, двутавра и др.) обычно сварной. Его недостаток – в сложности монтажа на сваях тяжелых балок, в малой прочности соединения отдельных балок (стыки слабее балок) и в высокой коррозии незащищенного металла, находящегося в зоне высокой влажности (снег, влажный приземный слой воздуха) и материала швов. Удобен для недолговечного строительства (дачные домики, веранды, беседки) с планируемым сроком службы максимум 10-20 лет. Сборные ростверки могут просто укладываться на гидроизолированные оголовки свай сверху и прикрепляться к ним без омоноличивания. В деревянных домах роль ростверка «доверена» нижнему венцу или нижней обвязке. Сборно-монолитный ростверк чаще применяют в промышленном строительстве, строительстве многоэтажных зданий. Это своеобразный «конструктор» из отлитых заранее деталей с «замками» и шпоночными соединениями, омоноличиваемый в процессе (или после) сборки. Стоит дорого, собирается на месте с помощью тяжелого оборудования и требует высокой точности в установке свай. Для частного домостроения невыгоден. } Монолитно-литой (в дальнейшем – «монолитный») железобетонный ростверк отливается в виде балки (ленты, замкнутого периметра, незамкнутого контура) или монолитной плиты. В любом варианте конструкции ростверк соединяет сваи – будучи прикрепленным к ним или включая их в свою толщу. Плита обычно высокая, лента может быть высокой, повышенной, заглубленной. Монолитный ростверк – наиболее удобный для малоэтажного строительства вариант. } Смысл ростверка – только объединение свай, работающих для передачи точечной нагрузки на грунт, и перераспределение на них общей нагрузки, сам он при этом на грунт нагрузку не передает и никогда не опирается на него, так как связан со сваями относительно слабо и при зимнем пучении грунта от свай его может просто оторвать. } } } } По положению ленты (и монтируемой опалубки) относительно поверхности земли выделяют три вида ростверка: высокий Высокий ростверк повышенный заглубленный Повышенный ростверк Заглубленный ростверк Решение. По грунтовым условиям сваю целесообразно заглубить в третий слой (песок средней крупности), т. к. вышележащие слои (супесь пластичная и суглинок текучепластичный) характеризуются низким сопротивлением грунта. Минимальная длина сваи ℓ должна быть ℓ= 0,1+0,3+2,0+4,0+1,0=7,4 м, где 0,1 – заделка сваи в ростверк, м; 0,3 , 2,0 и 1,0 – толщины грунтовых слоев, м; 1,0 – минимальное заглубление сваи в несущий слой, м. Принимаем сваюС8–30 (длина сваи 8 м, сечение 30×30 см), длина острия 0,25м. } } В практике строительства мостов и гидротехнических сооружений широкое распространение получили сборные железобетонные цилиндрические оболочки. В начальный период массового внедрения оболочек в мостостроение их применяли только в фундаментах. Предложены более легкие, индустриальные в экономичные конструкции мостовых опор, в которых оболочки используют не только в фундаменте, но и в надфундаментной части. } Однако, в надфундаментной части опор мостов на реках с ледоставом железобетонные оболочки, внутренняя полость которых в зоне льдообразования оставлена без заполнений бетоном, не применяли. До сих пор считалось, что такие оболочки в процессе эксплуатации неизбежно будут растрескиваться от воздействия льда, образующегося во внутренней полости. Поэтому их разрешалось применять только в верхних частях речных опор или в опорах на поймах, суходолах в периодических водотоках, где лед в оболочках не образуется. Заполнение оболочек бетоном только для того, чтобы исключить попадание волн во внутреннюю полость в ее последующее замерзание, приводило к увеличению стоимости строительства, к уменьшению сборности и не исключало опасности образований трещин в оболочках. } Расчет свайного фундамента: определение несущей способности сваи по грунту; сбор нагрузок на свайный фундамент; определение количества свай в ростверке; расположение свай в ростверке; назначение размеров ростверка. } } Величина погружения сваи при ударе (забивке) носит название отказ. При погружении свай через песчаные грунты величина отказа с глубиной резко уменьшается и в некоторых случаях может достигнуть нуля. Схема взаимодействия ствола сваи и песчаного грунта в момент забивки. } } В данном случае под острием сваи образуется переуплотненное ядро, а вдоль ствола сваи за счет отжатия (миграции) воды возникает «сухое» трение (см. схему). Отток воды от источника колебаний в песчаных грунтах связан с хорошей фильтрующей способностью песков. В результате свая перестает погружаться, отказ сваи становится равным нулю. } } Для увеличения отказа сваи необходимо предоставить отдых, т.е. остановить забивку на 3…5 дней. За это время в околосвайном пространстве восстанавливается поровое давление, грунтовая вода снова подходит к стволу сваи, трение снижается. В результате сваю можно снова добивать до проектной отметки погружения, т.к. отказ увеличивается относительно первоначальной величины, полученной до отдыха. Такой же эффект может быть получен при добавлении воды в околосвайное пространство во время забивки. } При погружении свай через водонасыщенные глинистые грунты величина отказа с увеличением глубины забивки может увеличиваться, и свая «проваливается» в водонасыщенное основание. Это явление обусловлено тем, что колебательный контур ствола сваи создаёт избыточное поровое давление, и в глинистом грунте вдоль ствола сваи формируются плёнки воды, существенно снижающие трение. Схема взаимодействия ствола сваи и глинистого грунта в момент забивки. } } В результате при забивке в глинистых грунтах величина отказа (е) с глубиной или становится постоянной, или увеличивается. После отдыха в течение 3…6 недель (снятие динамических воздействий), поровое давление постепенно снижается и трение вдоль ствола сваи восстанавливается, величина отказа уменьшается. Это явление получило название «засасывание сваи». } } } Отказ (е) сваи во время забивки получил название «ложный». Отказ (е) сваи после отдыха – «истинный». Получение истинного отказа сваи в глинистых грунтах приводит к увеличению её несущей способности. Исследования в этом направлении были проведены Новожиловым (ПГУПС), который показал (см. график), что увеличение несущей способности сваи в глинистых грунтах за время отдыха (Т) происходит в общем виде по экспоненциальной зависимости. Рнач – начальная несущая способность сваи в момент забивки; Рmax – максимальная несущая способность сваи; Т = (3…6) недель – период относительно быстрого возрастания несущей способности сваи; t1, t2 – время испытания сваи; Р1, Р2 – несущая способность сваи, соответственно в момент времени t1 и t2. Определив по испытаниям (смотри далее) значения Р1, Р2, представляется возможность вычислить максимальную несущую способность сваи Рmax, используя следующую эмпирическую зависимость: где m – коэффициент, учитывающий скорость засасывания сваи в различных связных грунтах. } } Опускной колодец представляет собой открытую сверху и снизу железобетонную (реже стальную и бетонную) конструкцию), стены которой в нижней части имеют заострения (консоли), обычно усиленные металлом (ножи). Первый способ. Опускные колодцы погружаются в грунт под действием собственного веса по мере разработки и удаления грунта, расположенного в полости колодца и ниже его ножа. Рис. Опускной колодец: а — погружение колодца.; б — фундамент в виде опускного колодца; 1 — консоли; 2 — стенки колодца; 3 — надфундаментная часть опоры; 4 — железобетонная плита; 5 — бетон, уложенный насухо; 6 — подводный бетон; 7 — прочный грунт; 8 — слабый грунт } } } Стены колодцев либо сооружают сразу на полную высоту, либо наращивают по мере погружения колодцев в грунт (рис.). Погружение опускных колодцев в грунт производят с откачкой или без откачки воды из их полости. После достижения опускным колодцем проектной глубины заложения фундамента полость колодца целиком (рис.) или частично заполняют бетонной смесью сначала подводным способом, а затем насухо. В верхней части колодца сооружают распределительную железобетонную плиту, на которой впоследствии ведут кладку надфундаментной части опоры; в некоторых случаях такую плиту не делают. } Опускные колодцы применяют в случаях расположения грунтов с достаточной несущей способностью на больших (более 5—8 м) глубинах, когда сооружение фундаментов в открытых котлованах из-за сложности крепления их стен экономически нецелесообразно или технически неосуществимо } Сущность метода погружения сооружений в тиксотропных рубашках заключается в том, что пространство между грунтом и наружной поверхностью опускного сооружения (колодец, кессон) заполняется глинистым раствором, т. е. создается так называемая тиксотропная рубашка. Конструктивно стены в нижней части опускного сооружения на высоту 1,5—3 м делаются на 5— 10 см толще. Схема образования податливой оболочки: 1 - податливая оболочка; 2 уступ ножевой части; 3 - ножевая часть:4 - форшахта; 5 - материальный склад; 6 - передвижной смесительный узел; 7 -землеройное оборудование; 8 - грузоподъемный механизм; 9 - ходовая тележка; 10кольцевая дорога; 11 - трубопровод; 12 - опускной колодец } Непосредственное соприкасание стен опускного колодца с грунтом имеет место только в пределах ножевой части. Глинистый раствор нагнетается в полость через трубы-инъекторы, устанавливаемые вертикально на стенах колодца или с внешней стороны по его периметру на равных расстояниях друг от друга, или с внутренней стороны стен с выводом нижних концов труб наружу у обреза ножа. } } Форшахта. Степень устойчивости грунтовой стены полости тиксотропной рубашки зависит от величины гидростатического напора глинистого раствора. Опасной, с точки зрения возможности обрушения грунта, является верхняя часть грунтовой стены. Для создания в верхней зоне тиксотропной рубашки гидростатического напора глинистого раствора, обеспечивающего устойчивость грунтовой стены в ее верхней части, устраивают форшахту. } Шпунт типа Ларсен это металлический профиль в виде желоба различной формы, с закруглёнными краями, по типу замка. Применяется шпунт с 1900 года при реставрации и строительстве дамб, мостов, заградительных сооружений, причалов, укреплении береговой линии. } Шпунт Ларсена характеристики: длинные (максимально 34 метра), узкие (максимально 80 см) металлические конструкции с замками, благодаря которым возможно соединит один такой профиль с другим в вертикальной плоскости, создает цельную, металлическую стену в грунте или воде. } Все шпунты проходят антикоррозийную подготовку, благодаря чему возможно использовать конструкции несколько раз, после окончания строительных работ шпунты извлекаются, и возможно использование повторно до 5-6 раз. Транспортировка осуществляется, любым доступным видом транспорта, при перевозке используют подкладки, и закрепляют груз } На выбор, можно изготовить с S, Z, L, Ω (Omega) профилями, горячего или холодного прокатов. Также есть разнообразные профили без замков, различные сварные модификации. Такие шпунты можно соединять и комбинировать, для получения непрерывного ограждения, или укрепления поверхности. } Шпунт Ларсена погружают или забивают в грунт, с помощью специальных вибропогружателей, или молотами. Сваи погружаются одна за другой, причем каждая последующая соединяется с предыдущей в замок, и развернута относительно нее на 180 градусов. Таким образом, сваи образуют непрерывную конструкцию. Для проведения работ сооружают кольцевые конструкции из шпунта Ларсена, откуда откачивают воду. По окончании работ, шпунт может быть извлечен и использован снова. } Бесспорными преимуществами шпунта Ларсена, по сравнению с другими разновидностями шпунтовых свай, являются: - широкий выбор габаритов, которые возможно подобрать согласно техническим особенностям сооружения; - отличные показатели статики и симметрии контуров; - простота монтажа - устойчивость к коррозии и влиянию внешних факторов - длительный период эксплуатации